Ciclo de Rankine: Fundamentos y Aplicaciones
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 ciclo surge como una mejora del Ciclo de Carnot al buscar tener una mejor relación de trabajo (trabajo útil respecto del trabajo total).
Importancia del Ciclo de 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.
Etapas del Ciclo de Rankine
El ciclo de Rankine está constituido por cuatro fases o procesos, los cuales se representan en un diagrama de temperatura vs entropía (T-S).
Los procesos del ciclo son vapor sobrecalentado (1), vapor húmedo (2), líquido saturado (3) y líquido subenfriado (4). Dos de ellos son procesos isobáricos y los otros dos isoentrópicos.
Descripción de los Procesos
- Proceso 1-2: Esta primera fase consiste en aumentar la presión del vapor sin pérdida de calor (expansión isoentrópica) a través de una máquina térmica (turbina de vapor), logrando generar potencia en su eje.
- Proceso 2-3: Luego se aplica calor hacia el fluido de trabajo (vapor) a presión constante, el cual pasa por un condensador para convertirse en líquido nuevamente. Idealmente el ciclo no debería tener pérdidas de carga.
- Proceso 3-4: Para esta etapa se realiza una compresión isoentrópica del líquido a través de una bomba, la cual hace uso de cierta cantidad de potencia; luego se aumenta la presión del fluido hasta que cuente con la misma presión que la caldera. Este proceso es una de las diferencias con el ciclo de Carnot.
- Proceso 4-1: Finalmente se aporta calor hacia el fluido a presión constante en la caldera. Se obtiene vapor sobrecalentado a alta presión que se utiliza por la turbina para generar la potencia del ciclo y que así se pueda reiniciar nuevamente.
Mejorando la Eficiencia del Ciclo de Rankine
El rendimiento del ciclo cuenta con el mismo valor que el ciclo de Carnot. Sin embargo, en la práctica nunca se alcanzan los valores descritos teóricamente. Por ello, se utiliza una serie de procesos que ayudan a aprovechar el combustible eficientemente.
El ciclo de Rankine se puede mejorar a través del recalentamiento, sobrecalentamiento, reducción y aumento de la presión. Las cuatro posibles mejoras consisten en los siguientes:
- Si se sobrecalienta la temperatura de entrada en la turbina, se obtiene un mayor trabajo de la misma pero también se consigue disminuir la humedad.
- El ciclo Rankine regenerativo consiste en recalentar el vapor en así escalonar su expansión; logrando obtener cuerpos de alta, media y baja presión de turbina.
- Al reducir la presión del condensador se obtiene como resultado una disminución del calor rechazado. Sin embargo, esta mejora aumenta la humedad del vapor.
- Finalmente, si se aumenta la presión de la caldera también se aumenta la temperatura, lo que incrementa el rendimiento del ciclo pero aparece una excesiva cantidad de humedad.
Proceso del Ciclo de Rankine en una Central Térmica
El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica).
El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.
Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera.
Existen también centrales alimentadas mediante energía solar térmica (centrales termosolares), en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores cilindro-parabólicos o un sistema de helióstatos y torre. Además este tipo de centrales poseen un sistema de almacenamiento térmico, habitualmente de sales fundidas. El resto del ciclo, así como de los equipos que lo implementan, serían los mismos que se utilizan en una central térmica de vapor convencional.