El Ciclo de Rankine Ideal Simple

El ciclo ideal para las centrales eléctricas de vapor es el ciclo de Rankine. El ciclo de Rankine ideal simple no implica ninguna irreversibilidad interna y consta de los siguientes cuatro procesos:


1-2 Compresión isentrópica en una bomba: el agua se bombea de baja presión a alta presión, que es la presión de funcionamiento de la caldera. En esta etapa, el fluido está en estado líquido, por lo que la bomba requiere poca energía de entrada.

2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera: el líquido a alta presión ingresa a una caldera donde se calienta a presión constante por una fuente de calor externa para convertirse en vapor saturado seco. Se pueden utilizar tablas de vapor para calcular la energía de entrada.

3-4 Expansión isentrópica en una turbina: el vapor seco saturado ingresa a una turbina donde se expande isentrópicamente, generando energía al girar el eje conectado a un generador eléctrico. El vapor sale de la turbina como una mezcla de líquido-vapor con altos niveles de energía.

4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador: Los condensadores son intercambiadores de calor que normalmente utilizan lagos, ríos o la atmósfera donde se rechaza el calor. A presión constante, el vapor se condensa en un condensador para convertirse en líquido saturado. Luego, el vapor sale del condensador como líquido saturado y entra a la bomba, completando el ciclo.

Análisis energético del ciclo de Rankine ideal

La bomba, la caldera, la turbina y el condensador son los cuatro dispositivos de un ciclo de Rankine ideal y operan en un régimen de flujo constante. Las variaciones de energía cinética y potencial del vapor son muy pequeñas, en comparación con el trabajo y la transferencia de calor, y por lo tanto se descuidan.

La bomba y la turbina son isentrópicas, lo que significa que no se genera entropía, maximizando la producción de trabajo. La caldera y el condensador no implican ningún trabajo. La conservación de energía de cada dispositivo se puede expresar como:

Bomba (q = 0):         wpump, in = h2 – h1  o  wpump, in = v (P2 – P1);  h1 = hf @ P1   and   v1 = vf @ P1

Caldera (w = 0): qin = h3 – h2

Turbina (q = 0): wturb, in = h3 – h4

Condensador (w = 0): qout = h4 – h1

La eficiencia térmica del ciclo Rankine se determina a partir de:

Ejemplo

Considere una planta de energía de vapor que opera en el ciclo de Rankine ideal simple. El vapor entra en la turbina a 3 MPa y 350 °C y se condensa en el condensador a una presión de 75 kPa. Determine la eficiencia térmica de este ciclo.

Este ejemplo se resolvió usando Engineering Equation Solver, o simplemente EES, pero también se pueden usar gráficos de vapor.

"State 1" 
P1=75 [kPa] 
x1=0 
h1=Enthalpy(Steam;x=x1;P=P1) 
s1=Entropy(Steam;x=x1;P=P1) 
v1=Volume(Steam;x=x1;P=P1)

"State 2" 
P2=3000[kPa] 
s2=s1 
h2=Enthalpy(Steam;s=s2;P=P2)

"State 3" 
P3=3000 [kPa] 
T3=350 [C] 
h3=Enthalpy(Steam;T=T3;P=P3) 
s3=Entropy(Steam;T=T3;P=P3)

"State 4" 
P4=75 [kPa] 
s4=s3 
h4=Enthalpy(Steam;s=s4;P=P4) 
x4=Quality(Steam;P=P4;s=s4)

"Pump work" 
w_pump=v1*(P2-P1)

"Turbine work" 
w_turb=h3-h4

"Boiler work" 
q_in=h3-h2

"Condenser work" 
q_out=h4-h1

"Thermal efficiency" 
eta_th=(w_turb-w_pump)/q_in

La eficiencia térmica del ciclo de Rankine simple en el ejemplo es 0.26 o 26%.