Ciclo de Rankine: Funcionamiento, Etapas y Mejoras en Centrales Térmicas

Ciclo de Rankine

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 2º 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 de Rankine es de vital importancia debido a que se utiliza en las centrales térmicas, las cuales producen la mayor parte de la 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 4 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.

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.

Mejoras en 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 4 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 para 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

El ciclo de 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 utilizadas, 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.

Procedimientos para Aumentar la Eficiencia Termodinámica de un Ciclo Ideal de Rankine

Una idea para mejorar un ciclo de 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. La desventaja es que la humedad del vapor empieza a aumentar ocasionando erosión en los álabes de la turbina.
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. La desventaja es la humedad excesiva que aparece.
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. Este aumento de la temperatura está limitado por los materiales a soportar altas temperaturas.
Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansión: Esto es, tener varias etapas de turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento mediante recalentadores (moisture steam reheaters en el caso de centrales nucleares) y de economizador. 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.

Ciclo de Refrigeración

Es un proceso que consiste en bajar o mantener el nivel del calor de un cuerpo o un espacio. Considerando que realmente el frío no existe y que debe hablarse de mayor o menor cantidad de calor o de mayor o menor nivel térmico (nivel que se mide con la temperatura), refrigerar es un proceso termodinámico en el que se extrae calor del objeto considerado (reduciendo su nivel térmico), y se lleva a otro lugar capaz de admitir esa energía térmica sin problemas o con muy pocos problemas.

La mayor parte del calor en la tierra se deriva de las radiaciones del sol. Ejemplo: una cuchara sumergida en agua helada pierde su calor y se enfría; una cuchara sumergida en café caliente absorbe el calor del café y se calienta. Sin embargo, las palabras «+ caliente» y «+ frío», son sólo términos comparativos.

Existe calor a cualquier temperatura arriba de cero absolutos, incluso en cantidades extremadamente pequeñas.

Elementos Requeridos para Completar el Ciclo de Refrigeración

Evaporación: En la etapa de evaporación el refrigerante absorbe el calor del espacio que lo rodea y por consiguiente lo enfría. Esta etapa tiene lugar en un componente denominado evaporador, el cual es llamado así debido a que en él, el refrigerante se evapora, cambia de líquido a vapor.
Compresión: Después de evaporarse, el refrigerante sale del evaporador en forma de vapor a baja presión, pasa al compresor en donde se comprime, incrementando su presión (este aumento de presión es necesario para que el gas refrigerante cambie fácilmente a líquido y lo bombea hacía la etapa de condensación).
Condensación: La etapa de condensación del ciclo se efectúa en una unidad llamada “condensador” que se encuentra localizado en el exterior del espacio refrigerado. Aquí el gas refrigerante a alta presión y alta temperatura, rechaza calor hacía el medio ambiente (es enfriado por una corriente de agua o de aire), cambiando de gas a liquido frío y a una alta presión.
Expansión y control: Esta etapa es desarrollada por un mecanismo de control de flujo, este dispositivo retiene el flujo y expansiona al refrigerante para facilitar su evaporación posterior. Después de que el refrigerante deja el control del flujo se dirige al evaporador para absorber calor y comenzar un nuevo flujo.

Este proceso puede realizarse a través del refrigerador, se extrae calor de un espacio, llamado la carga de enfriamiento, de un medio de baja temperatura. Mientras que una bomba de calor transfiere calor a un medio de altas temperaturas, llamada carga de calentamiento.

Ventajas del Ciclo de Refrigeración

Ideal para procesos industriales de modificación de la temperatura, ya que te permite adaptar la temperatura del ambiente a tu necesidad.
Mantener refrigerados o congelados alimentos, lo que lo hace ideal para producir cadenas de frío para los alimentos.
Conservación de medicamentos, lo que hace que pueda almacenarse medicamentos o fórmulas de forma segura en espacios que cuenta con este sistema.
Modificación de la temperatura en espacios cerrados y abiertos, dada su variedad de modelos te permite modificar la temperatura de diferentes espacios.
Fácil adaptación, dado sus múltiples componente y avanzada su investigación puede adaptarse a casi cualquier espacio.
Mantenimiento sencillo, lo que te aporta una ventaja económica y de tiempo, ideal para tus procesos.

Desventajas del Ciclo de Refrigeración

Funcionamiento estático: debido a su volumen la mayoría son de funcionamiento estático, es decir, que una vez instalado y en uso no se puede trasladar a otro sitio, sino previo desarme completo de todas sus partes.
Alta dependencia a los líquidos y fluidos refrigerantes, lo que puede afectar tus costos y presupuesto.
Reparaciones costosas, las reparaciones de este tipo de mecanismos suelen ser de muy alto costo, lo que puede afectar tu presupuesto.
Su uso es único y exclusivo para sistema de refrigeración, lo que limita su uso en otras áreas y su aprovechamiento con otras herramientas.

Características del Ciclo de Refrigeración

Punto de congelación: Debe de ser inferior a cualquier temperatura que existe en el sistema, para evitar congelaciones en el evaporador.
Calor específico: Debe de ser lo más alto posible para que una pequeña cantidad de líquido absorba una gran cantidad de calor.
Volumen específico: El volumen específico debe de ser lo más bajo posible para evitar grandes tamaños en las líneas de aspiración y compresión.
Densidad: Deben de ser elevadas para usar líneas de líquidos pequeñas.
La temperatura de condensación, a la presión máxima de trabajo debe ser la menor posible.
La temperatura de ebullición, relativamente baja a presiones cercanas a la atmosférica.
Punto crítico lo más elevado posible.
No deben ser líquidos inflamables, corrosivos ni tóxicos.
Dado que deben interaccionar con el lubricante del compresor, deben ser miscibles en fase líquida y no nociva con el aceite.

Objetivos del Ciclo de Refrigeración

Un refrigerador busca extraer calor (QL) del medio frío.
Una bomba de calor (QH) busca suministrar calor a un medio caliente.
Los refrigeradores son dispositivos cíclicos y los fluidos de trabajo utilizados en los ciclos de refrigeración se llaman refrigerantes.

Ciclo Ideal de Refrigeración por Compresión de Vapor

En este ciclo de refrigeración el refrigerante de evapora y se condensa alternadamente para luego comprimirse en la fase de vapor. Está compuesto por 4 procesos:

Compresión isentrópica en un compresor.
Rechazo de calor a presión constante en un condensador.
Estrangulamiento en un dispositivo de expansión.
Absorción de calor a presión constante en un evaporador.

El refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y vuelve a entrar al compresor completando el ciclo.

Ciclo Real de Refrigeración por Compresión de Vapor

Se defiere a un ciclo ideal debido a las irreversibilidades que ocurren en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidad son la fricción del fluido y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores.

Sistemas de Refrigeración en Cascada

Un ciclo de refrigeración en cascada consiste el efectuar el proceso de refrigeración por etapas en decir dos o más ciclos de refrigeración que operan en serie. En un ciclo de refrigeración de dos etapas, los ciclos de conectan por medio de un intercambiador de calor en medio el cual sirve como el evaporador para el ciclo superior y como condensador en el ciclo inferior.

Sistemas de Refrigeración por Compresión de Múltiples Etapas

Cuando el fluido utilizado por todo el sistema de refrigeración en cascada es el mismo, el intercambiador de calor se puede sustituir por una cámara de mezclado puesto que tiene las mejores características de transferencia de calor.

Sistemas de Refrigeración de Propósito Múltiples con un Solo Compresor

Algunas aplicaciones requieres refrigeración a más de una temperatura. Esto puede lograse con una válvula de estrangulamiento independiente y un compresor por separado para cada evaporador que opere a temperaturas diferentes, sin embargo un modelo más práctico es enviar todos los flujos de salida de los evaporadores a un solo compresor y dejar que este maneje el proceso de compresión para el sistema completo.

Sistemas de Refrigeración por Absorción

Otra forma de refrigeración cuando se tiene una fuente de energía térmica barata a una temperatura de 100 a 200º C es la refrigeración por absorción. El sistema de refrigeración por absorción más utilizado es el sistema amoniaco-agua, donde el amoniaco (NH3) sirve como refrigerante y el agua (H2O) es el medio de transporte. La climatización de espacios habitados, para alcanzar un grado de confort térmico adecuado para la habitabilidad de un edificio.

Los procesos industriales que requieren reducir la temperatura de maquinarias o materiales para su correcto desarrollo. Algunos ejemplos son el mecanizado, la fabricación de plásticos, la producción de energía nuclear.
La crio génesis o enfriamiento a muy bajas temperaturas empleada para licuar algunos gases o para algunas investigaciones científicas.
Motores de combustión interna: El líquido refrigerante que se utiliza es agua destilada con unos aditivos que rebajan sensiblemente el punto de congelación para preservar al motor de sufrir averías cuando se producen temperaturas bajo cero.
Máquinas-herramientas: las máquinas herramientas también llevan incorporado un circuito de refrigeración y lubricación para bombear el líquido refrigerante que utilizan que se llama taladrina o aceite de corte sobre el filo de la herramienta para evitar un calentamiento excesivo que la pudiese deteriorar rápidamente.
Aparatos electrónicos: la mayoría de los aparatos electrónicos requieren refrigeración, que generalmente consiguen mediante un ventilador, que hace circular el aire del local donde se sitúan, y otras veces sencillamente haciendo circular el aire por convección.

Estudio de Ciclo de Refrigeración

Ciclo de Carnot Inverso

Es un ciclo reversible, que permite que los cuatro procesos existentes en él, puedan invertirse, el cual se desarrolla al someter el refrigerante a los dispositivos termodinámicos como lo es el evaporador, compresor, condensador, y turbina. Este ciclo puede operar según la necesidad presentada, para enfriar con un refrigerador de carnot, y si se desea la carga de calor se utiliza una bomba de calor de Carnot.

El comportamiento del refrigerante en relación a la Temperatura y entropía en cada uno de los dispositivos:

Evaporador; Se absorbe calor desde una región fría TL, de forma isotérmica (T1 =T2).
Compresor: Se comprime una mezcla de líquido y vapor del refrigerante es decir, disminuye el volumen y aumenta su presión, en un proceso isoentrópico (S2=S3).
Condensador; Se transfiere calor reversible a la región caliente TH, a través de un proceso isotérmico (T3 = T4), donde el refrigerante experimenta cambios de fase (vapor a líquido).
Turbina; se expande el refrigerante con alto contenido de humedad isoentrópicamente hasta, alcanzar la temperatura mínima TL.

Importancia del Ciclo de Refrigeración

Es importante en dichos ciclos interviene un fluido de trabajo, denominado refrigerante, y sufre transformaciones termodinámicas controladas por los dispositivos. La técnica de protección de ambientes por refrigeración de aire, es muchas veces la única solución posible. Tal es el caso de las áreas de trabajo de grandes dimensiones a nivel industrial, y, en general, donde las dimensiones y los altos niveles de energía de los equipos a proteger hacen imposible el empleo de métodos de limitación de energía.

Temperatura de los dos medios.
Que no sea tóxico, corrosivo o inflamable, con alta entalpia de vaporización.