Ciclo de Rankine

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.

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

Procesos de un ciclo Rankine[editar | editar a fonte]

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

Existen catro procesos[1] 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: Primeiro, o fluído é bombeado (idealmente de forma isoentrópica) de unha presión baixa para unha presión alta utilizándose unha bomba. O bombeamento requer aporte 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 expande a través de unha turbina para xerar traballo. Idealmente, esta expansión é isoentrópica. Con esta expansión, tanto a presión canto 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 se repite.

Descrición[editar | editar a fonte]

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 ven do sistema de arrefriamento do condensador, e non do fluído de traballo.

Ciclo Rankine

Ecuacións[editar | editar a fonte]

Cada unha das ecuacións a seguir poden ser obtidas facilmente a partir do balanzo de masa e enerxía do volume de control[2]. 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}_{\mathit{caldeira}}} {\dot{m}} = h_2 - h_1

\frac{\dot{W}_{\mathit{turbina}}} {\dot{m}} = h_2 - h_3

\frac{\dot{Q}_{\mathit{condensador}}} {\dot{m}} = h_4 - h_3

\frac{\dot{W}_{\mathit{bomba}}} {\dot{m}} = h_4 - h_1

\eta = \frac{\dot{W}_{\mathit{turbina}}-\dot{W}_{\mathit{bomba}}} {\dot{Q}_{\mathit{caldeira}}}

Variábeis[editar | editar a fonte]

\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 polo 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)[editar | editar a fonte]

Nun ciclo Rankine real, a compresión pola bomba e a expansión na turbina non son isoentrópicas[2]. En outras palabras, estes procesos non son reversíbeis, e a entropía aumenta durante os procesos (indicados na figura como ΔS). Isto fai con que a enerxía requirida pola bomba sexa maior, e que o traballo producido pola turbina sexa menor do que o producido nun estado de idealidade.

Variacións do ciclo Rankine[editar | editar a fonte]

Dúas variacións básicas do ciclo Rankine son utilizados actualmente.

Ciclo Rankine con requentamento[editar | editar a fonte]

O ciclo Rankine con requentamento opera utilizando dúas turbinas en serie. A primeira turbina recebe o vapor da caldeira a alta presión, liberándoo de tal maneira a evitar 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 danificar seriamente as pas da turbina[2].

Ciclo Rankine con requentamento

Ciclo Rankine rexenerativo[editar | editar a fonte]

O ciclo Rankine rexenerativo é nomeado desta forma debido a que 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

Notas[editar | editar a fonte]

  1. Moran & Shapiro 'Fundamentals of Engineering Thermodynamics' (ISBN 0471274712)
  2. 2,0 2,1 2,2 Van Wylen 'Fundamentos da Termodinámica' (ISBN 8521203276)