El Cicle de Rankine és un cicle termodinàmic que té com a objectiu la conversió de calor en treball, constituint el que es denomina un cicle de potència. Com qualsevol altre cicle de potència, la seva eficiència està fitada per l'eficiència termodinàmica d'un Cicle de Carnot que operés entre els mateixos focus tèrmics (límit màxim que imposa el Segon Principi de la Termodinàmica). Deu el seu nom al seu desenvolupador, l'enginyer i físic escocès William John Macquorn Rankine.
Contingut de l'entrada
1.1 Diagrama T-s del cicle
2 Variables
3 Equacions
4 Millores del Cicle Rankine
5 Cicle Rankine regeneratiu
1. El procés del Cicle
El cicle Rankine és un cicle de potència representatiu del procés termodinàmic que té lloc en una central tèrmica de vapor. Utilitza un fluid de treball que alternativament evapora i condensa, típicament aigua (si bé existeixen altres tipus de substàncies que poden ser utilitzats, com en els cicles Rankine orgànics). Mitjançant la crema d'un combustible, el vapor d'aigua és produït en una caldera a alta pressió per després ser portat a una turbina on s'expandeix per generar treball mecànic en el seu eix (aquest eix, solidàriament unit al d'un generador elèctric, és el que generarà l'electricitat en la central tèrmica). El vapor de baixa pressió que surt de la turbina s'introdueix en un condensador, equip on el vapor condensa i canvia a l'estat líquid (habitualment la calor és evacuada mitjançant un corrent de refrigeració procedent del mar, d'un riu o d'un llac). Posteriorment, una bomba s'encarrega d'augmentar la pressió del fluid en fase líquida per tornar a introduir-ho novament en la caldera, tancant d'aquesta manera el cicle.
Existeixen algunes millores al cicle descrit que permeten millorar la seva eficiència, com per exemple sobrecalentamient del vapor a l'entrada de la turbina, reescalfament entre etapes de turbina o regeneració de l'aigua d'alimentació a caldera.
Existeixen també centrals alimentades mitjançant energia solar tèrmica (centrals termosolars), en aquest cas la caldera és substituïda per un camp de col·lectors cilindre-parabòlics o un sistema de helióstats i torre. A més aquest tipus de centrals posseeixen un sistema d'emmagatzematge tèrmic, habitualment de sals foses. La resta del cicle, així com dels equips que ho implementen, serien els mateixos que s'utilitzen en una central tèrmica de vapor convencional.
1.1 Diagrama T-s del cicle
El diagrama T-S d'un cicle de Rankine amb vapor d'alta pressió sobrecalentat.
El diagrama T-s d'un cicle Rankine ideal està format per quatre processos: dos isoentròpics i dos isobarics. La bomba i la turbina són els equips que operen segons processos isoentròpics (adiabàtics i internament reversibles). La caldera i el condensador operen sense pèrdues de càrrega i per tant sense caigudes de pressió. Els estats principals del cicle queden definits pels nombres de l'1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentat; 2: barreja bifàsica de títol elevat o vapor humit; 3: líquid saturat; 4: líquid subrefredat). Els processos que tenim són els següents per al cicle ideal (processos internament reversibles):
•Procés 1-2: Expansió isoentròpica del fluid de treball en la turbina des de la pressió de la caldera fins a la pressió del condensador. Es realitza en una turbina de vapor i es genera potència en l'eix de la mateixa.
•Procés 2-3: Transmissió de calor a pressió constant des del fluid de treball cap al circuit de refrigeració, de manera que el fluid de treball aconsegueix l'estat de líquid saturat. Es realitza en un condensador (bescanviador de calor), idealment sense pèrdues de càrrega.
•Procés 3-4: Compressió isoentròpica del fluid de treball en fase líquida mitjançant una bomba, la qual cosa implica un consum de potència. S'augmenta la pressió del fluid de treball fins al valor de pressió en caldera.
•Procés 4-1: Transmissió de calor cap al fluid de treball a pressió constant en la caldera. En un primer tram del procés el fluid de treball s'escalfa fins a la temperatura de saturació, després té lloc el canvi de fase líquid-vapor i finalment s'obté vapor sobrecalentat. Aquest vapor sobrecalentat d'alta pressió és l'utilitzat per la turbina per generar la potència del cicle (la potència neta del cicle s'obté realment descomptant la consumida per la bomba, però aquesta sol ser molt petita en comparació i sol menysprear-se).2 Variables
3 Equacions
4 Millores del Cicle Rankine
5 Cicle Rankine regeneratiu
1. El procés del Cicle
El cicle Rankine és un cicle de potència representatiu del procés termodinàmic que té lloc en una central tèrmica de vapor. Utilitza un fluid de treball que alternativament evapora i condensa, típicament aigua (si bé existeixen altres tipus de substàncies que poden ser utilitzats, com en els cicles Rankine orgànics). Mitjançant la crema d'un combustible, el vapor d'aigua és produït en una caldera a alta pressió per després ser portat a una turbina on s'expandeix per generar treball mecànic en el seu eix (aquest eix, solidàriament unit al d'un generador elèctric, és el que generarà l'electricitat en la central tèrmica). El vapor de baixa pressió que surt de la turbina s'introdueix en un condensador, equip on el vapor condensa i canvia a l'estat líquid (habitualment la calor és evacuada mitjançant un corrent de refrigeració procedent del mar, d'un riu o d'un llac). Posteriorment, una bomba s'encarrega d'augmentar la pressió del fluid en fase líquida per tornar a introduir-ho novament en la caldera, tancant d'aquesta manera el cicle.
Existeixen algunes millores al cicle descrit que permeten millorar la seva eficiència, com per exemple sobrecalentamient del vapor a l'entrada de la turbina, reescalfament entre etapes de turbina o regeneració de l'aigua d'alimentació a caldera.
Existeixen també centrals alimentades mitjançant energia solar tèrmica (centrals termosolars), en aquest cas la caldera és substituïda per un camp de col·lectors cilindre-parabòlics o un sistema de helióstats i torre. A més aquest tipus de centrals posseeixen un sistema d'emmagatzematge tèrmic, habitualment de sals foses. La resta del cicle, així com dels equips que ho implementen, serien els mateixos que s'utilitzen en una central tèrmica de vapor convencional.
1.1 Diagrama T-s del cicle
El diagrama T-S d'un cicle de Rankine amb vapor d'alta pressió sobrecalentat.
El diagrama T-s d'un cicle Rankine ideal està format per quatre processos: dos isoentròpics i dos isobarics. La bomba i la turbina són els equips que operen segons processos isoentròpics (adiabàtics i internament reversibles). La caldera i el condensador operen sense pèrdues de càrrega i per tant sense caigudes de pressió. Els estats principals del cicle queden definits pels nombres de l'1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentat; 2: barreja bifàsica de títol elevat o vapor humit; 3: líquid saturat; 4: líquid subrefredat). Els processos que tenim són els següents per al cicle ideal (processos internament reversibles):
•Procés 1-2: Expansió isoentròpica del fluid de treball en la turbina des de la pressió de la caldera fins a la pressió del condensador. Es realitza en una turbina de vapor i es genera potència en l'eix de la mateixa.
•Procés 2-3: Transmissió de calor a pressió constant des del fluid de treball cap al circuit de refrigeració, de manera que el fluid de treball aconsegueix l'estat de líquid saturat. Es realitza en un condensador (bescanviador de calor), idealment sense pèrdues de càrrega.
•Procés 3-4: Compressió isoentròpica del fluid de treball en fase líquida mitjançant una bomba, la qual cosa implica un consum de potència. S'augmenta la pressió del fluid de treball fins al valor de pressió en caldera.
En un cicle més realista que el cicle Rankine ideal descrit, els processos en la bomba i en la turbina no serien isoentropics i el condensador i la caldera presentarien pèrdues de càrrega. Tot això generaria una reducció del rendiment tèrmic del cicle. El rendiment isoentròpic de la turbina, que representa el grau d'allunyament d'una turbina respecte al procés ideal isoentròpic, jugaria un paper principal en les desviacions al cicle ideal i en la reducció del rendiment. El rendiment isoentròpic de la bomba i les pèrdues de càrrega en el condensador i la caldera tindrien una influència molt menor sobre la reducció de rendiment del cicle.
En les centrals tèrmiques de gas s'utilitza un cicle "germà" del cicle Rankine ideal: el cicle Brayton ideal. Aquest cicle utilitza un fluid de treball que es manté en estat de gas durant tot el cicle (no hi ha condensació). A més utilitza un compressor en lloc d'una bomba (constructivament sol anar solidàriament unida a la turbina de gas en un eix comú); d'altra banda, l'equip on es produeix la combustió no es denomina caldera sinó cambra de combustió o combustor. Els equips utilitzats en aquestes instal·lacions són més compactes que els de les centrals tèrmiques de vapor i utilitzen com a combustible habitual el gas natural. Finalment tots dos tipus de cicles s'integren en les centrals tèrmiques de cicle combinat, on la calor rebutjada pel cicle Brayton (en la seva configuració més simple, aportat pels gasos calents de la combustió que abandonen la turbina de gas) és utilitzat per alimentar el cicle Rankine (substituint a la caldera).
2. Variables
 |
 |
 |
 |
, 
, 
,Entalpies específiques dels estats principals del cicle
3. Equacions
Cadascuna de les quatre primeres equacions s'obté del balanç d'energia i del balanç de massa per a un volum de control. La cinquena equació descriu l'eficiència termodinàmica o rendiment tèrmic del cicle i es defineix com la relació entre la potència de sortida pel que fa a la potència tèrmica d'entrada.
 |  |
 |  |
 |
Es pot fer un balanç energètic en el condensador i la caldera, la qual cosa ens permet conèixer els fluxos masics de refrigerant i despesa de combustible respectivament, així com el balanç entròpic per poder treure la irreversibilitat del cicle i energia perduda.
4. Millores del Cicle Rankine
La idea per millorar un cicle rankine és augmentar el salt entálpic entre 1 i 2, és a dir, el treball lliurat a la turbina. Les millores que es realitzen de forma habitual en centrals tèrmiques (tant de carbó, com a cicles combinats o nuclears) són:
1. Reducció de la pressió del condensador: En aquest procediment es disminueix automàticament la temperatura del condensador atorgant un major treball a la turbina, una disminució de la calor rebutjada. El desavantatge és que la humitat del vapor comença a augmentar ocasionant erosió en els llois de la turbina.
2. Augmentar la pressió de la caldera per a una temperatura fixa: En augmentar la pressió augmenta la temperatura a la qual s'afegeix calor augmentant el rendiment de la turbina per tant la del cicle. El desavantatge és la humitat excessiva que apareix.
3. Sobrecalentar la temperatura d'entrada de la turbina: es procedeix a recalentar el vapor a altes temperatures per obtenir un major treball de la turbina, té com a avantatge que la humitat disminueix. Aquest augment de la temperatura està limitat pels materials a suportar altes temperatures.
4. Reescalfaments intermedis del vapor, escalonant la seva expansió. Això és, tenir diverses etapes de turbina, portant a condicions de sobrecalentamient mitjançant recalendators (Moisture Steam Reheaters en el cas de centrals nuclears) i de economtizador. Aquest escalonament de l'expansió dóna lloc als cossos d'alta, mitjana i baixa pressió de turbina.
5. Realitzar extraccions de vapor en la turbina, escalfant l'aigua d'alimentació a la caldera, augmentant la seva entalpia. El nombre d'extraccions no sol superar les 7, ja que no implicaria una millora de rendiment considerable enfront de la complicació tècnica que comporten.
5. Cicle Rankine regeneratiu
En aquesta variació s'introdueix un nou element al cicle, un escalfador obert. Aquest element consisteix en un bescanviador de calor per contacte directe en el qual es barregen dos corrents d'aigua per donar un corrent de temperatura intermèdia. Dels dos corrents que entren a l'escalfador una prové d'una extracció de vapor de la turbina i l'altra del condensador (sofreix l'expansió total). Com les pressions en l'escalfador han de ser iguals, s'afegeix una bomba després del condensador per igualar la pressió de la part del vapor que ha sofert l'expansió completa a la de l'extracció. En aquesta variació del cicle de Rankine, trobem avantatges respecte al cicle simple com un augment del rendiment i una reducció de l'aportació de calor a la caldera. Però d'altra banda també trobarem inconvenients com una reducció de la potència de la turbina i un augment de la complexitat de la instal·lació, ja que afegirem a la instal·lació una bomba més i un mesclador de fluxos.
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada