Termodinmica y Transferencia de Calor Ciclo Rankine

Termodinmica y Transferencia de CalorCiclo RankineOlivares Martnez Emanuel1203IMA153

El ciclo de Rankine es un ciclo termodinmico que tiene como objetivo la conversin de calor en trabajo.El ciclo Rankine constituye lo que se denomina un ciclo de potencia.Su eficiencia est acotada por la eficiencia termodinmica de un ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos trmicos (lmite mximo que impone el Segundo Principio de la Termodinmica).

ProcesoEl ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinmico que tiene lugar en una central trmica de vapor.Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, tpicamente agua.Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presin para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecnico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador elctrico, es el que generar la electricidad en la central trmica).El vapor de baja presin que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado lquido.Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presin del fluido en fase lquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.

Diagrama T-s del ciclo

El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal est formado por cuatro procesos: dos isoentrpicos y dos isobricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan segn procesos isoentrpicos (adiabticos e internamente reversibles).La caldera y el condensador operan sin prdidas de carga y por tanto sin cadas de presin.Los estados principales del ciclo quedan definidos por los nmeros del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifsica de ttulo elevado o vapor hmedo; 3: lquido saturado; 4: lquido subenfriado)

Diagrama T-s del ciclo

Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles):Proceso 1-2: Expansin isoentrpica del fluido de trabajo en la turbina desde la presin de la caldera hasta la presin del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma.Proceso 2-3: Transmisin de calor a presin constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeracin, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de lquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin prdidas de carga.Proceso 3-4: Compresin isoentrpica del fluido de trabajo en fase lquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presin del fluido de trabajo hasta el valor de presin en caldera.Proceso 4-1: Transmisin de calor hacia el fluido de trabajo a presin constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturacin, luego tiene lugar el cambio de fase lquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presin es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo.

Variables:

Potencia trmica de entrada (energa por unidad de tiempo) Caudal msico (masa por unidad de tiempo)

Potencia trmica de entrada (energa por unidad de tiempo). Caudal msico (masa por unidad de tiempo). Potencia mecnica suministrada o absorbida (energa por unidad de tiempo). Rendimiento trmico del ciclo (relacin entre la potencia generada por el ciclo y la potencia trmica suministrada en la caldera, adimensional). Entalpas especficas de los estados principales del ciclo.

Ecuaciones:

Cada una de las cuatro primeras ecuaciones se obtiene del balance de energa y del balance de masa para un volumen de control. La quinta ecuacin describe la eficiencia termodinmica o rendimiento trmico del ciclo y se define como la relacin entre la potencia de salida con respecto a la potencia trmica de entrada.

Ejemplo:En la transformacin 1-2 aumenta la presin del lquido sin prdidas de calor, por medio de un compresor, con aportacin de un trabajo mecnico externo.En la transformacin 2-3 se aporta calor al fluido a presin constante en una caldera, con lo que se evapora todo el lquido elevndose la temperatura del vapor al mximo.La transformacin 3-4 es una expansin adiabtica, con lo que el vapor a alta presin realiza un trabajo en la turbina.La transformacin 4-1consiste en refrigerar el fluido vaporizado a presin constante en el condensador hasta volver a convertirlo en lquido, y comenzar de nuevo el ciclo.