Ciclo Rankine: ¿Qué es? (Diagrama ideal vs real + Ts)

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El Ciclo Rankine es un proceso termodinámico que se utiliza en la generación de energía eléctrica a partir de la combustión de combustibles fósiles como el carbón, el gas natural y el petróleo. Este ciclo se basa en el principio de la transformación de la energía térmica en energía mecánica, y es uno de los procesos más utilizados en la industria eléctrica a nivel mundial.

El ciclo Rankine se basa en la utilización de un fluido de trabajo, que se calienta en una caldera a alta presión y temperatura, y luego se expansiona en una turbina, generando energía mecánica. Posteriormente, el fluido se enfría en un condensador y se devuelve a la caldera para comenzar el ciclo nuevamente.

Existen dos tipos de diagramas del ciclo Rankine: el diagrama ideal y el diagrama real. El diagrama ideal representa el ciclo teórico en condiciones ideales, sin tener en cuenta las pérdidas de energía debido a la fricción, las fugas de calor y otros factores. Por otro lado, el diagrama real tiene en cuenta estas pérdidas y representa el ciclo tal como se produce en la práctica.

Además, el ciclo Rankine se puede representar gráficamente en un diagrama T-s (temperatura-entropía), que muestra las diferentes etapas del ciclo y las propiedades termodinámicas del fluido de trabajo en cada una de ellas.

En este artículo, exploraremos en detalle el ciclo Rankine, su funcionamiento, los diferentes tipos de diagramas y su representación en el diagrama T-s. También analizaremos las ventajas y desventajas de este proceso, así como su importancia en la generación de energía eléctrica en todo el mundo.

Definición del Ciclo Rankine

El Ciclo Rankine es un proceso termodinámico que se utiliza para generar energía eléctrica en centrales térmicas, y es uno de los ciclos más utilizados en la industria. Este ciclo se basa en la transformación de la energía térmica en energía mecánica, y posteriormente en energía eléctrica.

Diagrama ideal vs real

El Ciclo Rankine se puede representar mediante un diagrama ideal, que muestra las diferentes etapas del ciclo, y un diagrama real, que tiene en cuenta las pérdidas de energía que se producen en el proceso. En el diagrama ideal, el ciclo consta de cuatro etapas:

  • Compresión: en esta etapa, el agua se comprime desde una presión baja hasta una presión alta.
  • Calentamiento: en esta etapa, el agua se calienta a alta presión y temperatura.
  • Expansión: en esta etapa, el vapor generado a partir del agua caliente se expande en una turbina, produciendo energía mecánica.
  • Enfriamiento: en esta etapa, el vapor se enfría y se condensa para volver a la etapa de compresión.

Sin embargo, en el diagrama real, se tienen en cuenta las pérdidas de energía que se producen en el proceso, como la fricción en las tuberías y la turbina, lo que hace que el rendimiento del ciclo sea menor que el rendimiento ideal.

Ts Diagrama

El diagrama Ts (temperatura-entropía) es una representación gráfica del Ciclo Rankine, que muestra la variación de la temperatura y la entropía en las diferentes etapas del ciclo. En este diagrama, la entropía se representa en el eje horizontal y la temperatura en el eje vertical.

El diagrama Ts permite visualizar las diferentes etapas del ciclo, así como las pérdidas de energía que se producen en el proceso. Además, permite calcular el rendimiento del ciclo y analizar sus posibles mejoras.

El diagrama Ts es una herramienta útil para analizar el rendimiento del ciclo y sus posibles mejoras.

Diagrama ideal del Ciclo Rankine

El Ciclo Rankine es un ciclo termodinámico que se utiliza para convertir energía térmica en energía mecánica. Este ciclo se utiliza en la mayoría de las plantas de energía eléctrica que funcionan con vapor, ya que es eficiente y confiable.

Diagrama ideal

El diagrama ideal del Ciclo Rankine es una representación gráfica del proceso termodinámico que sigue el fluido de trabajo en un ciclo Rankine. A diferencia del diagrama real, el diagrama ideal asume que no hay pérdidas de energía en el sistema y que todas las transformaciones son reversibles.

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El diagrama ideal consta de cuatro procesos:

  1. Proceso 1-2: Compresión adiabática del líquido de trabajo (agua) desde el estado 1 hasta el estado 2.
  2. Proceso 2-3: Calentamiento isobárico del líquido de trabajo desde el estado 2 hasta el estado 3.
  3. Proceso 3-4: Expansión adiabática del vapor desde el estado 3 hasta el estado 4.
  4. Proceso 4-1: Enfriamiento isobárico del vapor desde el estado 4 hasta el estado 1.

El diagrama ideal del Ciclo Rankine se representa en un gráfico de temperatura-entropía (Ts), donde la entropía (S) se representa en el eje horizontal y la temperatura (T) en el eje vertical.

Diagrama real vs. Ts

A diferencia del diagrama ideal, el diagrama real del Ciclo Rankine tiene en cuenta las pérdidas de energía que se producen en el sistema y las transformaciones irreversibles. Por lo tanto, el diagrama real no es un ciclo cerrado en el gráfico de Ts, sino que sigue una trayectoria irregular.

En el diagrama real, los procesos 1-2 y 3-4 son aproximadamente adiabáticos, pero no son reversibles. Por lo tanto, la compresión y la expansión no son ideales y se producen pérdidas de energía.

Además, en el proceso 2-3, el calentamiento del agua no es isobárico, ya que se produce una caída de presión en la caldera. Esto también causa pérdidas de energía en forma de calor.

Finalmente, en el proceso 4-1, el enfriamiento del vapor no es isobárico, ya que el vapor se condensa a medida que pierde temperatura. Esto también causa pérdidas de energía en forma de calor.

Aunque el diagrama real es más complejo y tiene en cuenta las pérdidas de energía, el diagrama ideal sigue siendo una herramienta útil para entender los principios básicos del Ciclo Rankine.

Diagrama real del Ciclo Rankine

El Ciclo Rankine es un proceso termodinámico que se utiliza en la generación de energía eléctrica a partir de la combustión de combustibles fósiles, como el carbón o el gas natural. Este ciclo consta de cuatro componentes principales: la caldera, la turbina, el condensador y la bomba.

Diagrama ideal vs real

El diagrama ideal del Ciclo Rankine muestra cómo debería funcionar el proceso si no hubiera pérdidas de energía debido a la fricción y la ineficiencia de los componentes. Sin embargo, en la práctica, siempre hay pérdidas, lo que significa que el ciclo real no coincide exactamente con el ideal.

El diagrama real del Ciclo Rankine muestra las variaciones en la presión, la temperatura y la entalpía a lo largo del proceso. En este diagrama, se pueden ver los efectos de las pérdidas de calor en la caldera, la fricción en la turbina y la bomba, y la ineficiencia en el condensador.

Diagrama Ts

El diagrama Ts (temperatura-entropía) es una herramienta útil para visualizar el ciclo Rankine y comparar el diagrama ideal con el real. En el diagrama Ts, la entropía se representa en el eje horizontal y la temperatura en el eje vertical.

En el diagrama ideal, el proceso de calentamiento en la caldera se representa como una línea vertical, ya que la presión no cambia. La expansión en la turbina se representa como una línea diagonal hacia abajo, ya que la presión y la temperatura disminuyen. La compresión en la bomba se representa como una línea diagonal hacia arriba, ya que la presión y la temperatura aumentan. Y la condensación en el condensador se representa como una línea horizontal, ya que la presión no cambia.

En el diagrama real, las líneas no son tan rectas como en el diagrama ideal, debido a las pérdidas de energía mencionadas anteriormente. Las líneas de calentamiento y enfriamiento son más horizontales, lo que indica que la temperatura no aumenta o disminuye tan rápidamente como en el diagrama ideal. Las líneas de expansión y compresión son más verticales, lo que indica que la presión no disminuye o aumenta tan rápidamente como en el diagrama ideal.

Ejemplo de diagrama real del Ciclo Rankine

A continuación se muestra un ejemplo de diagrama real del Ciclo Rankine:

Diagrama real del Ciclo Rankine

En este diagrama, se pueden ver las variaciones en la presión, la temperatura y la entalpía a lo largo del proceso. Las líneas de calentamiento y enfriamiento son más horizontales que en el diagrama ideal, lo que indica que hay pérdidas de energía en la caldera y el condensador. Las líneas de expansión y compresión son más verticales que en el diagrama ideal, lo que indica que hay pérdidas de energía en la turbina y la bomba.

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El diagrama Ts es una herramienta útil para visualizar el ciclo Rankine y comparar el diagrama ideal con el real.

Comparación entre el diagrama ideal y el real

El Ciclo Rankine es un proceso termodinámico utilizado en la generación de energía eléctrica. Este proceso consiste en cuatro etapas: calentamiento, expansión, enfriamiento y compresión, y se representa en un diagrama T-S (temperatura-entropía).

Diagrama ideal vs real

El diagrama ideal representa el ciclo Rankine teórico, donde no hay pérdidas de energía y la eficiencia es del 100%. Por otro lado, el diagrama real representa el ciclo Rankine en condiciones reales, donde hay pérdidas de energía debido a fricción, fugas y otras ineficiencias en el sistema, lo que resulta en una eficiencia menor que el 100%.

En el diagrama ideal, el proceso de calentamiento es una línea vertical en el diagrama T-S, lo que significa que la entropía no cambia durante este proceso. En el diagrama real, sin embargo, el proceso de calentamiento no es una línea vertical, sino que tiene una pendiente, lo que indica que hay pérdidas de energía.

En el proceso de expansión, el diagrama ideal muestra una línea horizontal, lo que significa que no hay cambios de temperatura durante este proceso. En el diagrama real, sin embargo, la línea de expansión tiene una pendiente, lo que indica que la temperatura disminuye durante este proceso.

En el proceso de enfriamiento, el diagrama ideal muestra una línea vertical, lo que indica que la entropía no cambia durante este proceso. En el diagrama real, la línea de enfriamiento tiene una pendiente, lo que indica que hay pérdidas de energía durante este proceso debido a la transferencia de calor al medio ambiente.

Finalmente, en el proceso de compresión, el diagrama ideal muestra una línea horizontal, lo que significa que no hay cambios de temperatura durante este proceso. En el diagrama real, la línea de compresión tiene una pendiente, lo que indica que la temperatura aumenta durante este proceso.

Diagrama T-S

El diagrama T-S es una representación gráfica del proceso termodinámico del ciclo Rankine. En el eje horizontal se encuentra la entropía y en el eje vertical se encuentra la temperatura. Este diagrama es útil para visualizar el proceso y determinar la eficiencia del ciclo Rankine.

En el diagrama T-S, el área dentro del ciclo representa el trabajo producido por el ciclo. Cuanto mayor sea el área, mayor será el trabajo producido y, por lo tanto, mayor será la eficiencia del ciclo. Sin embargo, en el diagrama real, el área dentro del ciclo es menor que en el diagrama ideal debido a las pérdidas de energía mencionadas anteriormente.

Conclusión

El diagrama ideal representa el ciclo teórico sin pérdidas de energía, mientras que el diagrama real representa el proceso en condiciones reales con pérdidas de energía. El diagrama T-S es útil para visualizar el proceso y determinar la eficiencia del ciclo Rankine. La comparación entre el diagrama ideal y el real nos permite entender las ineficiencias del ciclo real y mejorar su diseño para aumentar la eficiencia y reducir las pérdidas de energía.

Influencia de la temperatura de salida Ts en el Ciclo Rankine

¿Qué es el Ciclo Rankine?

El Ciclo Rankine es un ciclo termodinámico utilizado en la generación de energía eléctrica a partir de la energía térmica. Este ciclo se compone de cuatro procesos: la compresión, la calefacción, la expansión y la condensación del fluido de trabajo. En general, el fluido de trabajo es agua.

Diagrama ideal vs real del Ciclo Rankine

En el diagrama ideal del Ciclo Rankine, el fluido de trabajo se comprime adiabáticamente desde el estado 1 hasta el estado 2. Luego, se calienta isobáricamente desde el estado 2 hasta el estado 3. A continuación, se expande adiabáticamente desde el estado 3 hasta el estado 4. Finalmente, el fluido se condensa isobáricamente desde el estado 4 hasta el estado 1.

Sin embargo, en la práctica, el Ciclo Rankine no es ideal debido a las pérdidas de energía en los procesos de compresión, expansión y condensación. Además, la temperatura de salida del vapor de agua condensado puede variar y afectar el rendimiento del ciclo.

Influencia de la temperatura de salida Ts en el Ciclo Rankine

La temperatura de salida del vapor condensado, Ts, es un parámetro importante que afecta el rendimiento del Ciclo Rankine. Cuanto mayor sea la temperatura de salida, mayor será la eficiencia del ciclo.

Esto se debe a que la temperatura de salida Ts afecta la temperatura de la caldera, lo que a su vez afecta la eficiencia de la calefacción. Si la temperatura de salida es mayor, la temperatura de la caldera también será mayor, lo que permitirá una mayor transferencia de calor y, por lo tanto, una mayor eficiencia.

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Además, la temperatura de salida Ts también afecta la temperatura del condensador. Si la temperatura de salida es mayor, la temperatura del condensador también será mayor, lo que permitirá una mayor transferencia de calor desde el vapor condensado al medio refrigerante, lo que aumentará la eficiencia del ciclo.

Cuanto mayor sea la temperatura de salida, mayor será la eficiencia del ciclo. Por lo tanto, es importante controlar y optimizar la temperatura de salida para maximizar el rendimiento del ciclo.

En conclusión, el ciclo Rankine es uno de los procesos termodinámicos más importantes en la generación de energía eléctrica, ya que se utiliza en la mayoría de las centrales térmicas. Aunque se trata de un proceso ideal, en la práctica existen factores que influyen en su eficiencia y rendimiento, como las pérdidas de calor y las limitaciones de los materiales utilizados en las turbinas. Por lo tanto, es importante seguir investigando y desarrollando nuevas tecnologías para mejorar la eficiencia del ciclo Rankine y reducir su impacto ambiental en el futuro.

En resumen, el Ciclo Rankine es un proceso termodinámico que se utiliza en la producción de energía eléctrica a partir de la generación de vapor. Este proceso se basa en la transferencia de calor y la expansión del vapor a través de una turbina, para finalmente condensarse y retornar al estado líquido.

Existen dos tipos de diagramas para el Ciclo Rankine: el ideal y el real. En el diagrama ideal, se considera que el proceso es reversible y sin pérdidas de energía, mientras que en el diagrama real se toman en cuenta las pérdidas de calor y fricción que ocurren en las diferentes partes del sistema.

El diagrama Ts (entropía-temperatura) es una herramienta útil para comprender el comportamiento del Ciclo Rankine, ya que permite visualizar los cambios de entropía y temperatura en cada etapa del proceso. Esto es especialmente importante para el diseño y la optimización de sistemas de generación de energía basados en el Ciclo Rankine.

En definitiva, el Ciclo Rankine es una tecnología fundamental en la producción de energía eléctrica a nivel mundial, y su comprensión y mejora continua son clave para lograr un uso más eficiente y sostenible de los recursos energéticos disponibles.

En resumen, el Ciclo Rankine es un proceso termodinámico que se utiliza en la producción de energía eléctrica a partir de la generación de vapor. Este proceso se basa en la transferencia de calor y la expansión del vapor a través de una turbina, para finalmente condensarse y retornar al estado líquido.

Existen dos tipos de diagramas para el Ciclo Rankine: el ideal y el real. En el diagrama ideal, se considera que el proceso es reversible y sin pérdidas de energía, mientras que en el diagrama real se toman en cuenta las pérdidas de calor y fricción que ocurren en las diferentes partes del sistema.

El diagrama Ts (entropía-temperatura) es una herramienta útil para comprender el comportamiento del Ciclo Rankine, ya que permite visualizar los cambios de entropía y temperatura en cada etapa del proceso. Esto es especialmente importante para el diseño y la optimización de sistemas de generación de energía basados en el Ciclo Rankine.

En definitiva, el Ciclo Rankine es una tecnología fundamental en la producción de energía eléctrica a nivel mundial, y su comprensión y mejora continua son clave para lograr un uso más eficiente y sostenible de los recursos energéticos disponibles.

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

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