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CICLO DE
RANKINE
PRESENTA:
Cruz Rivera Rigoberto
Flores Cruz Luis Felipe
Flores Diego Aracely
Lara Mejía Analí Evelyn
Nolasco Matías Jesús Alberto
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA CHAPINGO
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL
ANTECEDENTES
Thomas Savery 1698
◦ Motor para elevación de agua por medio del fuego
Newcomen 1712
◦ Crearon la primera bomba de vapor
Jemes Watt 1769◦ La maquina de Walt motor de vapor de doble efecto.
Carnot 1824 ◦ Definición los características de su maquina ideal de esta maquina ideal trabajo
según un ciclo de cuatro etapas dando lugar al llamado ciclo de Carnot
William John Macquorn Rankine (5 de julio de 1820-24 de diciembre de 1872) fue un ingeniero y
físico escocés.
En 1859 publica el Manual of Steam Engine, en el que realiza importantes
contribuciones a la termodinámica estableciendo el ciclo que lleva su nombre para
el funcionamiento de las máquinas de vapor, e ideando la escala de temperaturas
Rankine.
PRINCIPIOS
1.- Compresión isoentrópica en una bomba.
2.- Adición de calor a presión constante en una caldera.
3.- Expansión isoentrópica en una turbina.
4.- Rechazo de calor a presión constante en un condensador.
APLICACIONES
Ciclo de Carnot
1.- Se comprime isoentrópicamente vapor de agua húmedo
2.- A la presión alta del estado 1 se comunica calor a
presión constante (y a temperatura constante).
3.- Se expansiona isoentrópicamente el fluido en la
turbina hasta el estado 3.
El vapor húmedo que sale de la turbina se condensa
parcialmente a presión constante (y temperatura
constante)
Es difícil comprimir
Precisión para la calidad
Erosión en los alabes de la turbina
Temperatura máxima limitada
Ciclo Rankine simpleCiclo de Carnot
Ciclo de Rankine
simple
1.- Calentamiento reversible a
presión constante.
2.- Expansión adiabática
reversible.
3.- Enfriamiento reversible a
presión constante.
4.- Compresión adiabática
reversible
El área bajo la curva formada por las trayectorias
1→2→3 en el diagrama Ts representa la cantidad
total de calor añadido al sistema. Si hacemos que
esta área sea igual al área bajo la línea horizontal
6→7, podemos escribir
Con objeto de evitar la erosión en el extremo de baja presión de la turbina debido
al exceso de humedad en el vapor al final del proceso de expansión, podemos
operar el ciclo de Rankine con sobrecalentamiento, como se indica
esquemáticamente en el diagrama T-s de la figura 11.5a. La manera en que se
dispondría el equipo necesario para tal modificación se muestra en la figura 11.5b.
Si los procesos de transferencia de calor son reversibles, el calor transferido al fluido en el conjunto caldera-sobrecalentador viene representado por el área encerrada entre los estados
2-d-3`-3-b-a-2 del diagrama Ts de la figura 16.2.
El área encerrada por los puntos 1-4-b-a-1 representa entonces el calor cedido por el fluido en el condensador.
El trabajo neto que proporciona el ciclo esta representado por la diferencia
de áreas del calor que entra y el calor que sale, es decir, el área 1-2-d-3`-3-
4-1. El rendimiento térmico se define como:
wneto.sal. /qsum.
Aplicando la ecuación de la energía por unidad de masa y en régimen
estacionario a cada componente por separado, se obtienen las expresiones
del calor y el trabajo del ciclo de Rankine.
Despreciando las variaciones de energía cinética y potencial, la ecuación
básica de la energía en régimen estacionario queda reducida para cada uno
de los procesos
aq+w=hsal. – hent.
El trabajo isoentrópico de la bomba viene dado por:
wB = h2-h1
EJEMPLO:
Un ciclo de Rankine que utiliza vapor de agua como sustancia de trabajo,
opera entre los límites de presión 7.5 kPa y 17.0 kPa la temperatura máxima
del ciclo es de 500 °C. Determínese:
La eficiencia térmica del ciclo;
El consumo especifico de vapor.
Solución:
Se tiene para la turbina, WT= h4-h5
De las tablas de vapor,
h4=3428.0 kJ/kg
s4=6.4430 kJ/kg.KPor lo tanto,
s4 =s5= [sg – (1 – x)5 sfg] a 7.5 kPa
6.4430 = 8.2523 – (1 – x)5(7.6760),
De donde se obtiene (1 – x)5 = 0.2357.
por lo tanto,
h5 = [hg-(1-x)5hfg] a 7.5 kPa
= 2574.9 – (0.2357)(2406.2) kJ/kg
= 2007.8 kJ/kg
YWT = 3428.0 – 2007.8 kJ/kg = 1420.2kJ/kg
Para el condensador se tiene
qsal = h6 – h5
= 158.77 – 2007.8 kJ/kg = -1839.0 kJ/kgPara la bomba
Wp = h6 - h1 ≈ -v (p1 – p6)
= - 0.00110079 (17,000 – 7.5) kJ/kg
= - 17.13 kJ/kg
h1 = h6 – wp
= 168.77 – ( - 17.13) kJ/kgY para el generador junto con el sobrecalentador,
Qent = h4 – h1
=3428.0 – 185.9 kJ/kg = 3242.1 kJ/kg
El Ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico en el que se
relaciona el consumo de calor con la producción de trabajo.
El ciclo de recalentamiento ha sido desarrollado para incrementar
el rendimiento en altas presiones y también evitar la humedad
excesiva en los pasos de baja presión de la turbina.
Proceso de expansión sucede en dos etapas:
PRIMERA ETAPA: (En turbina de alta presión) en esta el vapor
se expande isoentrópicamente hasta una presión intermedia y
regresa a la caldera donde se recalienta a presión constante.
SEGUNDA ETAPA: (Turbina de baja presión) el vapor se expande
isoentrópicamente hasta la presión del condensador.
Para calcular el rendimiento térmico de un ciclo de recalentamiento:
Se utiliza agua como fluido de trabajo por sus siguientes
características:
-Es abundante y en consecuencia barata en el planeta.
-No es tóxica.
-Es químicamente estable.
-Sobretodo posee un alto calor específico.
-El uso de más de dos etapa de recalentamiento no es
práctico, la ganancia en la eficiencia es tan pequeña
que no justifica el costo y la complejidad adicional.
CONSIDERACIONES
-Si se pudiera encontrar materiales que nos permitieran
sobrecalentar el vapor, el ciclo Rankine simple sería más
eficiente que el ciclo de recalentamiento, y entonces no
sería necesario el ciclo de recalentamiento.
El ciclo de Rankine con recuperación consiste:
Mejorar la eficiencia del ciclo
Proporcionar un medio conveniente de
desairar el agua de alimentación para evitar
la corrosión en la caldera.
Controla el gran flujo volumétrico del vapor
en las etapas finales de la turbina
Un calentador del agua de alimentación es un intercambiador de
calor donde éste se transfiere del vapor, al agua de alimentación
mediante la mezcla de ambos flujos de fluido, calentadores de
agua de alimentación abiertos. O sin mezclarlos, calentadores de
agua de alimentación cerrados.
Calentador abierto de agua de
alimentación
Una cámara de mezclado en la
que el valor extraído de la turbina
se mezcla con el agua de
alimentación que sale de la
bomba.
Calentador cerrado de agua de
alimentación
El calor se transfiere del vapor
extraído hacia el agua de
alimentación sin que suceda ninguna
mezcla.
Los dos flujos pueden estar a
presiones diferentes, puesto que no
se mezclan.
La mezcla sale del calentador
como liquido saturado a la
presión del calentador
Calentadores abiertos de agua de
alimentación Esquema del ciclo de
Rankine
Diagrama de Mollier del ciclo de Rankine El vapor entra
a la turbina a
la P de la
caldera
El vapor se
expande
isentrópicamente
hasta una P
intermedia El vapor restante
continúa su
expansión hasta
la P del
condensador
El vapor sale
como liquido
saturado a P
del
condensador
El agua de
condensada (agua de
alimentación), entra
al bomba y se
comprime hasta la P
del CAA
La mezcla sale
como liquido
saturado a P del
calentador
La bomba
eleva la P del
agua hasta la P
de la caldera
El ciclo finaliza
con el
calentamiento del
agua en la
caldera
CALENTADORES CERRADOS DE AGUA DE ALIMENTACIÓN
El agua de
alimentación se
calienta hasta la
T del vapor
extraído
Sale como un
liquido saturado
a la presión de
extracción
Esquema de un calentador
cerrado
Diagrama de Mollier
Los calentadores abiertos y cerrados de agua de alimentación
pueden ser comparados de la siguiente manera:
Calentadores abiertos Calentadores cerrados
Son simples y
económicos
Tienen buenas
características para la
transferencia de calor.
Llevan el agua de
alimentación al estado
de saturación
Son más complejos, por
lo tanto más caros
La transferencia de calor
es menos eléctrica
Los dos flujos no entran
en contacto
Cada calentador
requiere una bomba
para manejar el agua
de alimentación
Desventaja Ventaja
Los calentadores no
requieren una bomba
independiente para cada
calentador.
CONCLUSIÓN
Un ciclo Rankine de potencia ideal consta de una turbina y una bomba isoentrópicas, con
intercambio de calor en una caldera-sobrecalentador y un condensador a presión
constante. El efecto que se consigue al disminuir la presión del condensador es aumentar
el calor suministrado, el trabajo de salida, el rendimiento térmico y el contenido en
humedad a la salida de la turbina. Las irreversibilidades de la turbina y la bomba
disminuyen en el trabajo neto de salida y el rendimiento térmico, pero aumentan la
calidad de vapor a la salida de la turbina.
El ciclo de Rankine es el ciclo ideal que sirve de base al funcionamiento de las centrales
térmicas con turbinas de vapor, las cuales producen actualmente la mayor parte de la
energía eléctrica que se consume en el mundo. Es una modificación del ciclo
Carnot, esto con el fin de mejorar el sistema térmico corrigiendo los problemas que este
produce.
1. Huang Francis F. 1994. Ingeniería termodinámica. Ed. CECSA. México
2.- Van Wylen, Gordon J. Fundamentos de Termodinámica. Editorial Limusa. Decimocuarta
reimpresión. México, D.F. 1989. pp. 329-333.
3.- Donald E. Richards, Kenneth Wark, Jr. Termodinámica. Mc.GRAW W-
HILL/INTERAMERICANA DE ESPAÑA. Sexta edición 2001
4.- Yunus A. Cengel, Michael A. Boles. Termodinámica. . Mc.GRAW W-
HILL/INTERAMERICANA EDITORES. Sexta edición 2009. México, DF.
5.- www.wikipedia.com
BIBLIOGRAFIA
