Ciclo Rankine y calentamiento de alimentación regenerativa

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Ultima edición el 21 septiembre, 2023

El Ciclo Rankine es un proceso termodinámico que se utiliza para la generación de energía eléctrica a partir de la energía térmica. Este ciclo se basa en la conversión de la energía térmica en energía mecánica a través de una turbina y posteriormente en energía eléctrica mediante un generador. Uno de los elementos clave del Ciclo Rankine es el calentamiento de la alimentación, ya que permite aumentar la eficiencia del ciclo al reducir las pérdidas de energía térmica.

En este contexto, el calentamiento de la alimentación regenerativa es una técnica que se utiliza para recuperar parte del calor residual del ciclo y utilizarlo para calentar el agua de alimentación que se suministra a la caldera. El proceso se realiza mediante el uso de intercambiadores de calor, que permiten transferir el calor residual del vapor de escape de la turbina al agua de alimentación que se suministra a la caldera.

Indice de contenidos

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Ciclo Rankine y calentamiento de alimentación regenerativa

El Ciclo Rankine es un proceso termodinámico que se utiliza en la producción de energía eléctrica a partir de la energía térmica. Este proceso se basa en la conversión de la energía térmica en energía mecánica, la cual se utiliza para generar electricidad.

Uno de los componentes principales del Ciclo Rankine es el calentador de alimentación. Este componente se encarga de calentar el agua de alimentación que se utiliza en el proceso, con el fin de aumentar la eficiencia del ciclo.

Sin embargo, el calentamiento de la alimentación regenerativa es una técnica que permite aumentar aún más la eficiencia del Ciclo Rankine. Esta técnica consiste en utilizar el vapor que sale de la turbina para calentar el agua de alimentación antes de entrar en el calentador de alimentación. De esta forma, se aprovecha la energía térmica del vapor que de otra manera se perdería.

El proceso de calentamiento de la alimentación regenerativa se divide en dos etapas:

1. Etapa de calentamiento de baja presión: En esta etapa, el vapor que sale de la turbina se utiliza para calentar el agua de alimentación en un intercambiador de calor. El vapor se condensa y se recoge en una trampa de vapor, mientras que el agua caliente se dirige al calentador de alimentación.

2. Etapa de calentamiento de alta presión: En esta etapa, el agua caliente que sale del intercambiador de calor se dirige al calentador de alimentación, donde se calienta aún más mediante la transferencia de calor con el vapor de alta presión. El vapor de alta presión se dirige a la turbina para continuar generando electricidad.

La utilización de estas técnicas permite aumentar la eficiencia del proceso y reducir el impacto ambiental de la producción de energía.

Como dijo el físico William Thomson: «La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma». Y el Ciclo Rankine y el calentamiento de alimentación regenerativa son una muestra de ello.

Circuito de alimentación regenerativa

En la industria de la generación de energía, el Ciclo Rankine es un proceso termodinámico utilizado para producir electricidad a partir de la energía térmica. Una de las técnicas utilizadas para mejorar la eficiencia del ciclo Rankine es el calentamiento de alimentación regenerativa.

¿Qué es el calentamiento de alimentación regenerativa?

El calentamiento de alimentación regenerativa es una técnica en la que el agua de alimentación que entra en la caldera se calienta utilizando el vapor que sale de la turbina. En lugar de desechar el vapor de escape, se utiliza para calentar el agua de alimentación antes de que entre en la caldera. Esto permite que el agua se caliente a una temperatura más alta antes de entrar en la caldera, lo que aumenta la eficiencia del ciclo Rankine.

¿Cómo funciona el circuito de alimentación regenerativa?

El circuito de alimentación regenerativa consta de los siguientes componentes:

  • Caldera: donde se convierte el agua en vapor.
  • Turbina: donde el vapor se expande y produce energía mecánica.
  • Condensador: donde se condensa el vapor después de salir de la turbina.
  • Bomba de alimentación: que envía agua a la caldera.
  • Recalentador: donde el vapor se recalienta antes de entrar en la turbina.
  • Calentador de alimentación: donde el agua de alimentación se calienta antes de entrar en la caldera.

El circuito de alimentación regenerativa funciona de la siguiente manera:

  1. El agua de alimentación entra en el calentador de alimentación, donde es calentada por el vapor de escape de la turbina.
  2. El agua de alimentación caliente entra en la bomba de alimentación, donde se bombea a la caldera.
  3. El agua de alimentación se convierte en vapor en la caldera y se envía a la turbina.
  4. El vapor sale de la turbina y entra en el recalentador, donde se recalienta antes de volver a entrar en la turbina.
  5. El vapor sale de la turbina por última vez y entra en el condensador, donde se condensa en agua.
  6. El agua condensada se bombea de vuelta al calentador de alimentación para comenzar el proceso de nuevo.

¿Cuáles son los beneficios del circuito de alimentación regenerativa?

El circuito de alimentación regenerativa tiene varios beneficios:

  • Aumenta la eficiencia del ciclo Rankine al permitir que el agua de alimentación se caliente a una temperatura más alta antes de entrar en la caldera.
  • Reduce la cantidad de combustible necesario para producir la misma cantidad de energía eléctrica.
  • Reduce las emisiones de CO2 y otros contaminantes al reducir la cantidad de combustible utilizado.
  • Mejora la confiabilidad del sistema al reducir la cantidad de estrés térmico en la caldera y la turbina.
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Su implementación puede mejorar la sostenibilidad y reducir el impacto ambiental de la producción de energía.

Diagrama de proceso del ciclo Rankine

El ciclo Rankine es un proceso termodinámico utilizado en la generación de energía eléctrica a partir de vapor. Para entender este proceso, es importante conocer el diagrama de proceso del ciclo Rankine.

Fases del ciclo Rankine:

  • Compresión: El agua se bombea a alta presión al calentador de alimentación.
  • Calentamiento: El agua se calienta en el calentador de alimentación y se convierte en vapor.
  • Expansión: El vapor se expande en una turbina, produciendo trabajo.
  • Condensación: El vapor se condensa en un condensador, liberando calor.

En el diagrama de proceso del ciclo Rankine, estas fases se representan gráficamente en un diagrama de presión-entropía. La curva que representa la compresión se muestra como una línea recta vertical hacia arriba, ya que la entropía no cambia durante la compresión. La curva que representa el calentamiento es una línea diagonal hacia arriba y hacia la derecha, ya que la entropía aumenta durante el calentamiento. La curva que representa la expansión es una línea diagonal hacia abajo y hacia la derecha, ya que la entropía disminuye durante la expansión. La curva que representa la condensación es una línea recta vertical hacia abajo, ya que la entropía no cambia durante la condensación.

El ciclo Rankine también puede incluir un proceso de calentamiento de alimentación regenerativa, lo que mejora la eficiencia del ciclo. En este proceso, el vapor de baja presión que sale de la turbina se utiliza para calentar el agua de alimentación antes de que entre en el calentador de alimentación. Esto reduce la cantidad de calor necesario para calentar el agua de alimentación y, por lo tanto, mejora la eficiencia del ciclo.

Máquinas térmicas en el ciclo Rankine

Las máquinas térmicas son dispositivos que convierten la energía térmica en trabajo mecánico. En el ciclo Rankine, se utilizan máquinas térmicas para generar energía eléctrica a partir del calor. El ciclo Rankine es un ciclo termodinámico que se utiliza en la mayoría de las centrales eléctricas que generan energía a partir de combustibles fósiles.

Principio de funcionamiento del ciclo Rankine

El ciclo Rankine se compone de cuatro procesos termodinámicos:

  1. Proceso 1-2: Compresión adiabática de la alimentación líquida.
  2. Proceso 2-3: Calentamiento isobárico de la alimentación líquida a vapor.
  3. Proceso 3-4: Expansión adiabática del vapor.
  4. Proceso 4-1: Enfriamiento isobárico del vapor de vuelta al estado líquido.

En el proceso 1-2, el líquido de alimentación se comprime adiabáticamente para aumentar su presión. En el proceso 2-3, el líquido se calienta a una presión constante hasta que se convierte en vapor. En el proceso 3-4, el vapor se expande adiabáticamente para producir trabajo mecánico. En el proceso 4-1, el vapor se enfría a una presión constante hasta convertirse en líquido de nuevo. Este ciclo se repite continuamente para generar energía eléctrica.

Calentamiento de alimentación regenerativa

En el ciclo Rankine, el calentamiento de alimentación regenerativa es un proceso que utiliza el vapor de escape de la turbina para calentar el líquido de alimentación antes de que entre en la caldera. Este proceso aumenta la eficiencia del ciclo Rankine al reducir la cantidad de calor necesario para producir vapor en la caldera.

El calentamiento de alimentación regenerativa se realiza mediante intercambiadores de calor. El vapor de escape de la turbina se utiliza para calentar el líquido de alimentación en un intercambiador de calor antes de que se bombee de vuelta a la caldera para su conversión en vapor. Al utilizar el vapor de escape para calentar la alimentación, se reduce la cantidad de energía necesaria para calentar el agua de alimentación en la caldera.

El calentamiento de alimentación regenerativa es un proceso que utiliza el vapor de escape de la turbina para calentar el líquido de alimentación antes de que entre en la caldera. Este proceso aumenta la eficiencia del ciclo Rankine al reducir la cantidad de calor necesario para producir vapor en la caldera.

Efectos de la alimentación regenerativa en el ciclo Rankine

El Ciclo Rankine es un proceso termodinámico que se utiliza para generar energía eléctrica a partir del vapor de agua. Este ciclo se compone de cuatro procesos: compresión, calentamiento, expansión y enfriamiento. El proceso de calentamiento es crucial para la eficiencia del ciclo y es ahí donde la alimentación regenerativa tiene un papel importante.

¿Qué es la alimentación regenerativa?

La alimentación regenerativa es un proceso en el que el agua de alimentación se calienta utilizando vapor de agua de alta presión y temperatura que se encuentra en el ciclo Rankine. En lugar de calentar el agua de alimentación por completo mediante la combustión de combustibles, este proceso utiliza el vapor de agua residual para calentar el agua de alimentación.

¿Cuáles son los efectos de la alimentación regenerativa en el ciclo Rankine?

  • Mejora la eficiencia: La alimentación regenerativa reduce la cantidad de combustible necesario para generar la misma cantidad de energía eléctrica, lo que mejora la eficiencia del ciclo.
  • Reduce el costo de combustible: Al reducir la cantidad de combustible necesario, la alimentación regenerativa reduce el costo de generación de energía eléctrica.
  • Aumenta la capacidad de generación: La alimentación regenerativa permite que se generen más megavatios de energía eléctrica con la misma cantidad de combustible utilizado.
  • Mejora la duración de los equipos: Al reducir la cantidad de combustible utilizado, se reduce la cantidad de desgaste en los equipos utilizados en el ciclo Rankine, lo que aumenta su duración.
  • Reduce las emisiones de gases de efecto invernadero: Al reducir la cantidad de combustible utilizado, la alimentación regenerativa reduce las emisiones de gases de efecto invernadero.

Ejemplo de aplicación de la alimentación regenerativa en el ciclo Rankine

Supongamos que una planta de energía eléctrica genera 100 MW de energía eléctrica utilizando combustible fósil. Si se implementa la alimentación regenerativa en el ciclo Rankine, se podría reducir la cantidad de combustible utilizado en un 10%. Esto significa que se podrían generar 110 MW de energía eléctrica utilizando la misma cantidad de combustible que antes se utilizaba para generar 100 MW. Además, se reducirían las emisiones de gases de efecto invernadero y se mejorarían la eficiencia y duración de los equipos utilizados en el ciclo Rankine.

Su implementación puede tener un impacto significativo en la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y en la optimización de la generación de energía eléctrica.

Eficiencia en el ciclo Rankine con calentamiento de alimentación regenerativa

El ciclo Rankine es un ciclo termodinámico que se utiliza en la mayoría de las centrales eléctricas que funcionan con vapor. Este ciclo consiste en cuatro procesos: compresión adiabática, calentamiento a presión constante, expansión adiabática y enfriamiento a presión constante.

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Calentamiento de alimentación regenerativa

El calentamiento de alimentación regenerativa es un proceso que se utiliza en el ciclo Rankine para mejorar su eficiencia. Este proceso consiste en calentar el agua de alimentación antes de que entre en la caldera de vapor.

El calentamiento de la alimentación regenerativa se puede hacer en dos formas:

  • Regeneración abierta: El agua de alimentación se calienta con vapor extraído de la turbina antes de que entre en la caldera de vapor.
  • Regeneración cerrada: El agua de alimentación se calienta con vapor extraído de una sección de la turbina que funciona a una presión más alta.

La regeneración cerrada es más eficiente que la regeneración abierta, ya que el vapor extraído de la turbina tiene una entalpía más alta. Esto significa que se puede transferir más energía térmica al agua de alimentación.

Eficiencia en el ciclo Rankine con calentamiento de alimentación regenerativa

La eficiencia del ciclo Rankine con calentamiento de alimentación regenerativa se puede mejorar mediante el uso de múltiples etapas de regeneración y recalentamiento. Estas etapas adicionales aumentan la cantidad de energía térmica que se transfiere al agua de alimentación y, por lo tanto, mejoran la eficiencia del ciclo.

En general, la eficiencia del ciclo Rankine con calentamiento de alimentación regenerativa depende de varios factores, como la presión y la temperatura del vapor de salida de la turbina, la temperatura del agua de alimentación y la cantidad de etapas de regeneración y recalentamiento utilizadas.

Ejemplo de eficiencia en el ciclo Rankine con calentamiento de alimentación regenerativa

Supongamos que una central eléctrica utiliza un ciclo Rankine con una sola etapa de regeneración y sin recalentamiento. La presión en la caldera de vapor es de 10 MPa, y la temperatura del vapor de salida de la turbina es de 500 °C. La temperatura del agua de alimentación es de 25 °C.

La eficiencia teórica del ciclo Rankine sin regeneración es del 38,5%. Sin embargo, con una sola etapa de regeneración, la eficiencia del ciclo puede mejorar hasta el 44,5%. Esto se debe a que el agua de alimentación se calienta con vapor extraído de la turbina antes de entrar en la caldera de vapor.

Si se agregan más etapas de regeneración y recalentamiento, la eficiencia del ciclo Rankine con calentamiento de alimentación regenerativa seguirá mejorando.

Equipos de calentamiento en el ciclo Rankine

El ciclo Rankine es un proceso termodinámico que se utiliza en la producción de energía eléctrica en centrales térmicas. En este ciclo, se utiliza vapor de agua para mover una turbina y generar energía. Uno de los aspectos importantes del ciclo Rankine es el calentamiento de la alimentación regenerativa, que se lleva a cabo mediante equipos específicos.

Equipos de calentamiento

Los equipos de calentamiento que se utilizan en el ciclo Rankine son los siguientes:

  • Calentador de alimentación de baja presión: este equipo se encarga de calentar el agua de alimentación que entra en la caldera. La temperatura de entrada del agua es baja, por lo que se necesita un calentador para elevarla a la temperatura adecuada antes de que entre en la caldera.
  • Calentador de alimentación de alta presión: este equipo se utiliza para calentar el agua de alimentación que sale de la turbina de baja presión. La temperatura del agua es menor en este punto, por lo que también se necesita un calentador para elevarla a la temperatura adecuada antes de que entre en la caldera.
  • Calentador de extracción: este equipo se utiliza para calentar el agua que se extrae de la turbina de baja presión. La energía térmica que se obtiene de esta extracción se utiliza para calentar el agua que entra en la caldera.
  • Calentador de condensado: este equipo se utiliza para calentar el agua que se obtiene a partir del vapor de escape de la turbina de alta presión. Esta agua se utiliza como agua de alimentación en la caldera.

Funcionamiento de los equipos de calentamiento

Los equipos de calentamiento se utilizan para elevar la temperatura del agua que se utiliza en el ciclo Rankine. La temperatura del agua debe ser lo suficientemente alta para que se genere vapor y se mueva la turbina. El proceso de calentamiento se lleva a cabo mediante la transferencia de calor desde un fluido caliente a un fluido frío.

En el caso del calentador de alimentación de baja presión, el agua de alimentación se calienta mediante la transferencia de calor desde el vapor que sale de la turbina de alta presión. El vapor de alta presión se condensa y se utiliza como agua de alimentación en la caldera.

En el caso del calentador de alimentación de alta presión, el agua de alimentación se calienta mediante la transferencia de calor desde el vapor que sale de la turbina de baja presión. El vapor de baja presión se condensa y se utiliza como agua de alimentación en el calentador de extracción.

En el caso del calentador de extracción, el agua se calienta mediante la transferencia de calor desde el vapor de escape de la turbina de alta presión. El vapor de escape se condensa y se utiliza como agua de alimentación en la caldera.

En el caso del calentador de condensado, el agua se calienta mediante la transferencia de calor desde el vapor que sale de la turbina de alta presión. El vapor se condensa y se utiliza como agua de alimentación en la caldera.

Conclusión

Cada equipo tiene una función específica y se utiliza en diferentes puntos del ciclo para aprovechar la energía térmica y mejorar la eficiencia del proceso.

Equipos de calentamiento en el ciclo Rankine

El ciclo Rankine es un proceso termodinámico que se utiliza en la producción de energía eléctrica en centrales térmicas. En este ciclo, se utiliza vapor de agua para mover una turbina y generar energía. Uno de los aspectos importantes del ciclo Rankine es el calentamiento de la alimentación regenerativa, que se lleva a cabo mediante equipos específicos.

Equipos de calentamiento

Los equipos de calentamiento que se utilizan en el ciclo Rankine son los siguientes:

  • Calentador de alimentación de baja presión: este equipo se encarga de calentar el agua de alimentación que entra en la caldera. La temperatura de entrada del agua es baja, por lo que se necesita un calentador para elevarla a la temperatura adecuada antes de que entre en la caldera.
  • Calentador de alimentación de alta presión: este equipo se utiliza para calentar el agua de alimentación que sale de la turbina de baja presión. La temperatura del agua es menor en este punto, por lo que también se necesita un calentador para elevarla a la temperatura adecuada antes de que entre en la caldera.
  • Calentador de extracción: este equipo se utiliza para calentar el agua que se extrae de la turbina de baja presión. La energía térmica que se obtiene de esta extracción se utiliza para calentar el agua que entra en la caldera.
  • Calentador de condensado: este equipo se utiliza para calentar el agua que se obtiene a partir del vapor de escape de la turbina de alta presión. Esta agua se utiliza como agua de alimentación en la caldera.
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Funcionamiento de los equipos de calentamiento

Los equipos de calentamiento se utilizan para elevar la temperatura del agua que se utiliza en el ciclo Rankine. La temperatura del agua debe ser lo suficientemente alta para que se genere vapor y se mueva la turbina. El proceso de calentamiento se lleva a cabo mediante la transferencia de calor desde un fluido caliente a un fluido frío.

En el caso del calentador de alimentación de baja presión, el agua de alimentación se calienta mediante la transferencia de calor desde el vapor que sale de la turbina de alta presión. El vapor de alta presión se condensa y se utiliza como agua de alimentación en la caldera.

En el caso del calentador de alimentación de alta presión, el agua de alimentación se calienta mediante la transferencia de calor desde el vapor que sale de la turbina de baja presión. El vapor de baja presión se condensa y se utiliza como agua de alimentación en el calentador de extracción.

En el caso del calentador de extracción, el agua se calienta mediante la transferencia de calor desde el vapor de escape de la turbina de alta presión. El vapor de escape se condensa y se utiliza como agua de alimentación en la caldera.

En el caso del calentador de condensado, el agua se calienta mediante la transferencia de calor desde el vapor que sale de la turbina de alta presión. El vapor se condensa y se utiliza como agua de alimentación en la caldera.

Conclusión

Cada equipo tiene una función específica y se utiliza en diferentes puntos del ciclo para aprovechar la energía térmica y mejorar la eficiencia del proceso.

Aplicaciones del ciclo Rankine con calentamiento de alimentación regenerativa

El ciclo Rankine es un ciclo termodinámico que se utiliza en la generación de energía eléctrica a partir de vapor de agua. Una de las aplicaciones más comunes de este ciclo es en las centrales térmicas, donde se quema combustible fósil para generar vapor y mover una turbina. Sin embargo, también se puede utilizar en otras aplicaciones, como la desalinización de agua de mar o la producción de calor para procesos industriales.

Ciclo Rankine con calentamiento de alimentación regenerativa

El ciclo Rankine con calentamiento de alimentación regenerativa es una variante del ciclo Rankine convencional. En este ciclo, el agua de alimentación se precalienta en un intercambiador de calor antes de entrar en la caldera. A medida que el vapor se expande en la turbina, parte de su energía se utiliza para calentar el agua de alimentación en un segundo intercambiador de calor. Este proceso se repite varias veces, lo que permite aumentar la eficiencia del ciclo.

Aplicaciones del ciclo Rankine con calentamiento de alimentación regenerativa

El ciclo Rankine con calentamiento de alimentación regenerativa tiene varias aplicaciones prácticas, entre las que se incluyen:

Generación de energía eléctrica

El ciclo Rankine con calentamiento de alimentación regenerativa es ampliamente utilizado en la generación de energía eléctrica. En este caso, se utilizan combustibles fósiles para generar vapor y mover una turbina. La regeneración de la alimentación permite aumentar la eficiencia del ciclo y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.

Desalinización de agua de mar

La desalinización de agua de mar también es una aplicación del ciclo Rankine con calentamiento de alimentación regenerativa. En este caso, se utiliza el ciclo para generar calor y producir vapor que se utiliza en un proceso de destilación. La regeneración de la alimentación permite reducir el consumo de energía y aumentar la eficiencia del proceso.

Producción de calor para procesos industriales

El ciclo Rankine con calentamiento de alimentación regenerativa también se puede utilizar para producir calor para procesos industriales. En este caso, se utiliza el calor generado por el ciclo para alimentar un proceso que requiere calor, como la producción de papel, la producción de alimentos o la producción de productos químicos.

Conclusión

El ciclo Rankine con calentamiento de alimentación regenerativa es una variante del ciclo Rankine que permite aumentar la eficiencia del ciclo y reducir el consumo de energía. Esta variante tiene varias aplicaciones prácticas, como la generación de energía eléctrica, la desalinización de agua de mar y la producción de calor para procesos industriales.

En conclusión, el ciclo Rankine y el calentamiento de alimentación regenerativa son tecnologías fundamentales en la producción de energía eléctrica a nivel mundial. La eficiencia energética y la reducción de emisiones contaminantes son dos aspectos clave que se pueden mejorar a través de la implementación de estas tecnologías en las centrales térmicas. En un mundo cada vez más preocupado por la sostenibilidad, el uso de fuentes de energía renovables y la aplicación de tecnologías más eficientes son fundamentales para garantizar un futuro más limpio y sostenible para las generaciones venideras.

En conclusión, el Ciclo Rankine es un proceso termodinámico utilizado en la generación de energía eléctrica a partir de la energía térmica producida por la combustión de combustibles fósiles o nucleares. Una de las formas de mejorar la eficiencia de este ciclo es mediante la implementación de calentamiento de alimentación regenerativo, que consiste en calentar el agua de alimentación utilizando el vapor de escape de la turbina y, de esta manera, aumentar la temperatura y la presión en la caldera, lo que se traduce en una mayor eficiencia del ciclo. En resumen, el ciclo Rankine y el calentamiento de alimentación regenerativa son herramientas importantes en la generación de energía eléctrica y su aplicación puede mejorar significativamente la eficiencia y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.

JORGE CABRERA BERRÍOS Administrator
Ingeniero Electrónico por la UNI, con maestría y doctorado por la University of Electro-Communications (Japón).

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