Optimización del Ciclo Rankine: Fundamentos y Estrategias de Eficiencia Energética

Ciclo Rankine Ideal: Fundamentos y Etapas

El Ciclo Rankine Ideal es un modelo termodinámico fundamental para la operación de centrales termoeléctricas de vapor. Se compone de cuatro etapas principales:

Etapa 1-2: Expansión Isoentrópica en la Turbina

En esta etapa, el vapor se expande isoentrópicamente en la turbina (P₁ > P₂). Es un proceso adiabático y reversible (Q = 0; σ = 0). A la entrada de la turbina, el vapor es saturado seco. A la salida, es vapor húmedo. Este proceso genera trabajo mecánico (W_T), calculado como: W_T = h₁ - h₂ (> 0).

Etapa 2-3: Condensación del Vapor Húmedo

Se produce la condensación del vapor húmedo en el condensador. A la entrada del condensador, el fluido es vapor húmedo, y a la salida, es líquido saturado. Es un proceso de eliminación de calor a presión constante (P = cte.). El calor rechazado (q_R) se calcula como: q_R = (h₃ - h₂) (< 0).

Etapa 3-4: Compresión Isoentrópica del Agua Condensada

Esta etapa implica la compresión isoentrópica del agua condensada en la bomba. Es un proceso adiabático y reversible (Q = 0; σ = 0). A la entrada de la bomba, el fluido es líquido saturado y a la salida, líquido subenfriado. Es un proceso de compresión isoentrópica con aporte de trabajo por la bomba (W_B). El trabajo de la bomba se calcula como: W_B = h₄ - h₃ (> 0).

Etapa 4-1: Generación de Vapor en la Caldera

En esta etapa, se genera vapor en la caldera. A la entrada de la caldera, el fluido es líquido subenfriado y a la salida, vapor saturado seco. Es un proceso de calentamiento a presión constante (P = cte.). El calor aportado (q_C) se calcula como: q_C = (h₁ - h₄) (> 0).

Rendimiento Térmico del Ciclo Rankine

El rendimiento térmico (η) del Ciclo Rankine suele oscilar entre el 30% y el 35%. Se calcula mediante la siguiente fórmula:

η = (∑|W_T| - ∑|W_B|) / ∑|Q_C|

Modificaciones para Aumentar el Rendimiento del Ciclo Rankine Ideal (CRI)

Para mejorar el rendimiento del Ciclo Rankine Ideal, lo que implica aumentar el trabajo neto (W_T) y/o disminuir el calor rechazado (Q_C), se consideran diversas estrategias, incluyendo la relación de presiones, la comparación con el Ciclo Carnot y la minimización de irreversibilidades.

1. Relación de Presiones

El rendimiento térmico (η) se puede expresar como: η = (Q_C - Q_R) / Q_C = 1 - (Q_R / Q_C) = 1 - (T₂ / T_C), donde T_C es la temperatura de absorción media en la caldera.

• Disminución de T₂: Al disminuir la temperatura de condensación T₂ (limitado por la temperatura de saturación, T_sat, en el condensador), la presión del condensador (P_cond) disminuye y, consecuentemente, se mejora el rendimiento.
• Aumento de T_C: Al aumentar la temperatura media de absorción T_C (el rendimiento está limitado por el título o calidad del vapor en el punto 2, x₂ > 0.9), la presión de la caldera (P_cald) aumenta y se mejora el rendimiento.

2. Ciclo Carnot (CC) vs. Ciclo Rankine Ideal (CRI)

El rendimiento térmico del Ciclo Carnot (η_CC) es: η_CC = 1 - (T₂ / T₁). El rendimiento es mayor en el Ciclo Carnot porque T₁(CC) > T_C(CRI).

A pesar de su mayor eficiencia teórica, el Ciclo Rankine Ideal se utiliza en lugar del Ciclo Carnot por las siguientes razones prácticas:

• Es difícil operar en el punto 3 (mezcla líquido-vapor) del Ciclo Carnot, donde al aumentar la presión se busca alcanzar el estado de líquido saturado. Una mezcla líquido-vapor (L-V) genera muchos problemas prácticos de funcionamiento en la compresión de un vapor húmedo, lo que puede dañar la bomba.
• En el Ciclo Rankine Ideal, se logra un mayor aprovechamiento de los gases de combustión, ya que es posible disminuir más la temperatura de los gases de escape al bajar la temperatura de condensación, lo que no es tan factible en el Ciclo Carnot.