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DIAPOSITIVAS SOBRE EL CICLO RANKINE

1. INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE SAN ANDRES TUXTLA “CICLO RANKINE” FUNDAMENTOS DE TERMODINAMICA NOMBRE DEL PROFESOR: JOSE ANGEL NIEVEZ VAZQUEZ INTEGRANTES DEL EQUIPO: HECTOR LUIS FIGUEROA QUINO MONSERRAT MIROS VIDAL YAIR ARGEL GONZALEZ XALA LIZBETH CAYETANO CHIGUIL CARRERA: INGENIERIA MECATRONICA SEMESTRE Y GRUPO: 411-A

2. ¿Qué es el ciclo Rankine? Es un ciclo termodinámico idealizado de un motor térmico de presión constante que convierte parte del calor en trabajo mecánico. En este ciclo, el calor se suministra externamente a un circuito cerrado, que generalmente usa agua (en fase líquida y de vapor) como fluido de trabajo, el fluido de trabajo en el ciclo de Rankine experimenta el cambio de fase de una fase líquida a una de vapor y viceversa. El ciclo de Rankine esta compuesto por dos transformaciones isoentrópicas y dos isobaras, es la base del diseño de máquinas de vapor de cualquier tipo.

3. 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: Alta valor del calor latente de vaporización a la temperatura a que ocurre la vaporización. Bajo valor de la capacidad calorífica del líquido. Temperatura crítica superior a la temperatura de funcionamiento más alta. Tener un valor de presión de vapor superior a la presión atmosférica para las temperaturas inferiores de funcionamiento. Estar en estado líquido a la presión atmosférica y a la temperatura ambiente. 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 y abundante.

4. ¿Para que se utiliza el Ciclo Rankine? El ciclo describe el funcionamiento de máquinas térmicas en centrales térmicas. Las fuentes de calor habituales de estas plantas son los combustibles fósiles, energía solar o combustible nuclear. Aunque un ciclo de Rankine puede funcionar con diversas sustancias, el agua se suele utilizar debido a varias propiedades favorables. Estas plantas utilizan agua como fluido motor, ya sea en forma líquida o en forma de vapor o gas, con el llamado turbina de vapor. Las temperaturas relativamente bajas en el ciclo Rankine hacen que este ciclo se utilice como un ciclo de baja temperatura en centrales térmicas que operan después de un ciclo combinado de vapor y gas . Por otro lado, está cayendo rápidamente en desuso en el campo de la tracción ferroviaria y la propulsión marina, suplantado por el motor Diésel y el motor eléctrico.

5. Diagrama T-S del Ciclo El diagrama T-s (temperatura y entropía) de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isobáricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los estados principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4: líquido subenfriado).

6. Procesos Ideales del Ciclo Rankine Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles): Proceso 1-2: compresión isentrópica en la bomba. El fluido de trabajo se bombea de baja a alta presión. Como el fluido es un líquido en esta etapa, la bomba requiere poca energía de entrada. Proceso 2-3: adición de calor a presión constante en la caldera. El líquido de alta presión ingresa a una caldera, donde se calienta a presión constante mediante un proceso isobárico por una fuente de calor externa para convertirse en un vapor seco saturado. En esta fase se realiza un cambio de fase del agua de líquido a gas. Proceso 3-4: expansión isentrópica en turbina. El vapor seco saturado se expande a través de una turbina de vapor, generando energía. Desde un punto de vista termodinámico, esto disminuye la temperatura y la presión del vapor, y puede ocurrir algo de condensación. Proceso 4-1: rechazo de calor a presión constante en el condensador, proceso isobárico. El vapor húmedo ingresa a un condensador, donde se condensa a una presión constante para convertirse en un líquido saturado.

7. Procedimientos para aumentar la eficiencia termodinámica de un Ciclo Rankine La idea para mejorar un ciclo rankine es aumentar el salto entálpico entre 1 y 2, es decir, el trabajo entregado a la turbina. Las mejoras que se realizan de forma habitual en centrales térmicas (tanto de carbón, como ciclos combinados o nucleares) son: Reducción de la presión del condensador: En este procedimiento se disminuye automáticamente la temperatura del condensador otorgando un mayor trabajo a la turbina, una disminución del calor rechazado. Aumentar la presión de la caldera para una temperatura fija: Al aumentar la presión aumenta la temperatura a la cual se añade calor aumentando el rendimiento de la turbina por ende la del ciclo. Sobrecalentar la temperatura de entrada de la turbina: se procede a recalentar el vapor a altas temperaturas para obtener un mayor trabajo de la turbina, tiene como ventaja que la humedad disminuye. Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansión. Esto es, tener varias etapas de turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento mediante recalentadores. Este escalonamiento de la expansión da lugar a los cuerpos de alta, media y baja presión de turbina. Realizar extracciones de vapor en la turbina, calentando el agua de alimentación a la caldera, aumentando su entalpía. El número de extracciones no suele superar las 7, ya que no implicaría una mejora de rendimiento considerable frente a la complicación técnica que conllevan.

8. Importancia del Ciclo Rankine El ciclo Rankine es de vital importancia debido a que se utiliza en las centrales térmicas, las cuales producen la mayor parte de energía eléctrica que utilizan los seres humanos alrededor del mundo. El ciclo de Carnot contaba con un conjunto de problemas que dificultaban su aplicación, hasta que Rankine logró optimizar el trabajo empleado con relación a los resultados recibidos eliminando los factores imprácticos del ciclo mencionado.

9. Ciclo Rankine con recalentamiento El recalentamiento es un procedimiento mediante el cual no sala mente 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 sobrecalentado, se expanda primero en una turbina de alta presión hasta una presión a la cual apenas comience la condensación, luego volver a calentar el vapor mediante un proceso a presión constante, en un equipo llamado recalentador (generalmente un haz de tubos en el interior de horno de la caldera) y finalmente expandirlo hasta la presión del condensador en una turbina de baja presión

10. Ciclo 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 (del agua) 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 mostrado en la figura.