El Ciclo Rankine: Aprende sobre su eficiencia, aplicaciones en la generación de energía y el funcionamiento de este ciclo termodinámico clave.
Ciclo Rankine: Eficiencia, Aplicación y Funcionamiento
El Ciclo Rankine es un ciclo termodinámico que se usa principalmente en centrales eléctricas para convertir energía térmica en trabajo mecánico, el cual finalmente se transforma en energía eléctrica. Nombrado en honor al ingeniero escocés William John Macquorn Rankine, este ciclo es la base fundamental de las turbinas de vapor y otras tecnologías de generación de energía.
Funcionamiento del Ciclo Rankine
El Ciclo Rankine se compone de cuatro procesos principales que se desarrollan entre cuatro componentes clave del ciclo: la bomba, la caldera, la turbina y el condensador. Estos procesos son los siguientes:
- Compresión adiabática (en la bomba): En este proceso, el fluido de trabajo, que está en estado líquido, se bombea desde una baja presión hasta una alta presión. Dado que el fluido está en estado líquido, la cantidad de trabajo necesario para este paso es relativamente pequeña.
- Calentamiento isobárico (en la caldera): El fluido de trabajo, ya presurizado, se calienta a una presión constante en la caldera. Durante este proceso, el fluido se convierte en vapor de alta presión y alta temperatura.
- Expansión adiabática (en la turbina): El vapor de alta presión y temperatura se dirige a la turbina, donde se expande y realiza trabajo sobre las palas de la turbina. Este es el proceso en el que se genera la mayor parte del trabajo útil del ciclo.
- Rechazo de calor isobárico (en el condensador): El vapor expandido sale de la turbina y entra en el condensador, donde se enfría a presión constante para convertirse nuevamente en líquido. Este proceso cierra el ciclo, y el fluido de trabajo está listo para ser bombeado nuevamente.
Estos procesos se pueden visualizar en un diagrama T-s (Temperatura vs Entropía) y un diagrama P-v (Presión vs Volumen), donde se destacan los cambios de estado y energía del fluido de trabajo.
Eficiencia del Ciclo Rankine
La eficiencia del Ciclo Rankine está determinada por la cantidad de energía que se puede transformar en trabajo útil en comparación con la energía total suministrada al sistema. Matemáticamente, la eficiencia térmica \(\eta\) se expresa como:
\[
\eta = \frac{W_{neto}}{Q_{entrada}}
\]
donde \(W_{neto}\) es el trabajo neto producido por el ciclo y \(Q_{entrada}\) es el calor suministrado al ciclo en la caldera.
El trabajo neto \(W_{neto}\) es la diferencia entre el trabajo generado por la turbina \(W_{t}\) y el trabajo requerido por la bomba \(W_{b}\):
\[
W_{neto} = W_{t} – W_{b}
\]
Para maximizar la eficiencia del ciclo Rankine, se emplean varias estrategias, tales como:
- Supercalentamiento: El vapor se calienta a una temperatura más alta de la necesaria antes de entrar en la turbina para maximizar el trabajo extraído.
- Recalentamiento: El vapor parcialmente expandido en la turbina se vuelve a calentar en la caldera antes de ser expandido nuevamente.
- Regeneración: Uso de intercambiadores de calor para pre-calentar el agua de alimentación utilizando el vapor extraído de la turbina con el fin de reducir el consumo de energía en la caldera.
Aplicaciones del Ciclo Rankine
El Ciclo Rankine se emplea ampliamente en diferentes industrias debido a su efectividad y eficiencia para convertir energía térmica en energía eléctrica. Algunas de las aplicaciones más comunes incluyen:
- Centrales térmicas: Utilizando carbón, gas natural o petróleo como combustible.
- Centrales nucleares: Donde el calor generado por la fisión nuclear es usado para generar el vapor necesario para el ciclo.
- Plantas de energía geotérmica: Utilizando energía térmica proveniente de fuentes geotérmicas.
- Plantas termosolares: Usando concentradores solares para generar el calor necesario en la caldera.
En siguientes secciones, se discutirán específicamente diagramas detallados y las variaciones del ciclo, junto con sus impactos en la eficiencia y operación del mismo.