Ciclo de Rankine

O Ciclo Rankine é un ciclo termodinámico. Serve de modelo para a obtención de traballo nunha turbina de vapor. Debe o seu nome ó matemático escocés William John Macquorn Rankine.

Procesos dun ciclo Rankine

O diagrama T-S dun ciclo Rankine, exhibindo un proceso real e ideal.

Existen catro procesos nun ciclo Rankine, cada un alterando as propiedades do fluído de traballo. Estas propiedades son identificadas polos números no diagrama da dereita.

• Proceso 4-1: Pprimeiro, o fluído é bombeado (idealmente de forma isoentrópica) dunha presión baixa a unha presión alta utilizándose unha bomba. O bombeamento require subministración de enerxía.
• Proceso 1-2: o fluído presurizado entra nunha caldeira, onde é quentado a presión constante até se tornar vapor sobrequentado. Fontes comúns de calor inclúen carbón, gas natural e enerxía nuclear.
• Proceso 2-3: o vapor sobrequentado expándese a través dunha turbina para xerar traballo. Idealmente, esta expansión é isoentrópica. Con esta expansión, tanto a presión como a temperatura se reducen.
• Proceso 3-4: o vapor entra nun condensador, onde é arrefriado até a condición de líquido saturado. Este líquido retorna á bomba e o ciclo repítese.

Descrición

O ciclo Rankine describe a operación de turbinas a vapor comunmente encontradas en centrais térmicas.

O fluído de traballo nun ciclo Rankine segue un ciclo fechado, e é constantemente reutilizado. O vapor que se desprende en estacións de enerxía vén do sistema de arrefriamento do condensador, e non do fluído de traballo.

Ciclo Rankine

Ecuacións

Cada unha das ecuacións seguintes poden ser obtidas facilmente a partir do balance de masa e enerxía do volume de control. A quinta ecuación define a eficiencia termodinámica do ciclo como sendo a razón entre o traballo obtido do sistema e a calor fornecida ao sistema.

$\frac{{\dot{Q}}_{𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎}}{\dot{m}}=h_2-h_1$	$\frac{{\dot{W}}_{𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎}}{\dot{m}}=h_2-h_3$
$\frac{{\dot{Q}}_{𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟}}{\dot{m}}=h_4-h_3$	$\frac{{\dot{W}}_{𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎}}{\dot{m}}=h_4-h_1$
$\eta =\frac{{\dot{W}}_{𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎}-{\dot{W}}_{𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎}}{{\dot{Q}}_{𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎}}$

Variábeis

${\dot{Q}}_{in}$	taxa de entrada de calor (enerxía por unidade de tempo)
$\dot{m}$	fluxo másico (masa por unidade de tempo)
$\dot{W}$	traballo mecánico usado ou proveniente do sistema (enerxía por unidade de tempo)
$\eta$	eficiencia termodinámica do proceso (adimensional)
$h_1,h_2,h_3,h_4$	estes son os valores de entalpía específica especificados no diagrama T-s

Ciclo Rankine real (non ideal)

Nun ciclo Rankine real, a compresión pola bomba e a expansión na turbina non son isoentrópicas. Noutras palabras, estes procesos non son reversíbeis, e a entropía aumenta durante os procesos (indicados na figura como ΔS). Isto fai que a enerxía requirida pola bomba sexa maior, e que o traballo producido pola turbina sexa menor do producido nun estado de idealidade.

Variacións do ciclo Rankine

Dúas variacións básicas do ciclo Rankine son utilizados actualmente.

Ciclo Rankine con requentamento

O ciclo Rankine con requentamento opera utilizando dúas turbinas en serie. A primeira turbina recibe o vapor da caldeira a alta presión, liberándoo de tal maneira que evita a súa condensación. Este vapor é entón requentado, utilizando a calor da propia caldeira, e é utilizado para accionar unha segunda turbina de baixa presión. Entre outras vantaxes, isto impide a condensación do vapor no interior das turbinas durante a súa expansión, o que podería danar seriamente as pas da turbina.

Ciclo Rankine con requentamento

Ciclo Rankine rexenerativo

O ciclo Rankine rexenerativo é nomeado desta forma debido a que o fluído é requentado após saír do condensador, aproveitando parte da calor contida no fluído liberado pola turbina de alta presión. Isto aumenta a temperatura media do fluído en circulación, o que aumenta a eficiencia termodinámica do ciclo.

Ciclo Rankine rexenerativo