Ciclo de Rankine
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 21 de mayo de 2020; las comprobaciones requieren 2 ediciones .El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico de conversión de calor en trabajo con la ayuda de un fluido de trabajo que experimenta una transición de fase vapor-líquido ( condensación ) y una transición inversa de fase líquido-vapor ( evaporación ). El agua, el mercurio , varios freones y otras sustancias se utilizan como fluido de trabajo .
Historia
El ciclo de Rankine fue propuesto a mediados del siglo XIX por el ingeniero y físico W. Rankine .
A principios de la década de 2000, según el ciclo de Rankine en sus diversas variantes, utilizando turbinas de vapor se generaba alrededor del 90 % de toda la electricidad consumida en el mundo [1] , incluidas las centrales eléctricas de vapor de energía solar, nuclear y térmica. plantas que utilicen como fuel oil, gas, carbón o turba.
El ciclo de Rankine también se utiliza en generadores de energía de radioisótopos .
eficiencia del ciclo
Los estudios termodinámicos del ciclo de Rankine muestran que su eficiencia depende en gran medida de la diferencia entre los valores de los parámetros inicial y final (presión y temperatura) del vapor. La eficiencia del ciclo de Rankine se expresa como:
Procesos
El ciclo de Rankine con agua como fluido de trabajo consta de los siguientes procesos :
- isobara (termodinámica) - línea 4-5-6-1. El agua se calienta y se evapora, y luego el vapor se sobrecalienta. En este proceso, se gasta calor .
- adiabática - línea 1-2. El proceso de expandir vapor en una turbina y convertir parte de la energía interna del vapor en trabajo mecánico ( ).
- isoterma - línea 2-3 condensación de vapor de escape con eliminación de calor en el condensador por agua que enfría el condensador.
- adiabática - línea 3-4. Compresión del agua condensada a la presión inicial en el generador de vapor con gasto de trabajo .
Aplicación
El ciclo de Rankine es ampliamente utilizado en modernas centrales térmicas y nucleares de alta potencia, utilizando agua como fluido de trabajo.
Ciclo de Rankine inverso
Cuando el fluido de trabajo pasa por el ciclo de Rankine en la dirección opuesta (1-6-5-4-3-2-1), describe el proceso de trabajo de una máquina de refrigeración con un fluido de trabajo de dos fases (es decir, experimentando transiciones de fase de gas a líquido y viceversa durante el proceso).
Los refrigeradores que funcionan de acuerdo con este ciclo, con freón como fluido de trabajo, se usan ampliamente en la práctica como parte de los refrigeradores domésticos , acondicionadores de aire y refrigeradores industriales con una temperatura de la cámara refrigerada de hasta -40 ° C.
Variantes del ciclo de Rankine
Ciclo Rankine con agua de alimentación calentada
Un ciclo de planta de turbina de vapor en el que el agua de alimentación se precalienta con vapor extraído de la etapa intermedia de la turbina de vapor antes de que ingrese a la unidad de caldera. El calentamiento se realiza por medio de un intercambiador de calor especial - un calentador regenerativo, de alta o baja presión (LDPE y HDPE). El ciclo termodinámico más extendido en la industria de la energía térmica, y el calentamiento se realiza en varias etapas (en las centrales nucleares se utiliza un LPH y sobrecalentamiento intermedio del vapor debido a la selección del HPC, en la industria de la energía nuclear las turbinas de vapor funcionan en saturado vapor, con la excepción de los reactores con refrigerantes LMC ), algunas turbinas de vapor en centrales térmicas tienen un haz de calentadores de baja presión integrado en el condensador como la primera etapa de regeneración. La eficiencia del ciclo también aumenta el uso de las extracciones de vapor de extracción de calor (por lo general, el calentamiento del agua de la red en las calderas en las que ingresa el vapor de las extracciones de calefacción se realiza en dos etapas), por lo que solo el 10% de la energía térmica producida por la quema el combustible se disipa en la atmósfera, teniendo en cuenta la utilización del calor de los gases de combustión para calentar el agua de alimentación y calentar el aire suministrado a los quemadores mediante un calentador de aire en un eje convectivo y un calentador de aire regenerativo (RAH).
Otras sustancias de trabajo utilizadas en el ciclo de Rankine
El llamado ciclo orgánico de Rankine utiliza líquidos orgánicos en lugar de agua y vapor, como el n-pentano [2] o el tolueno [3] . Debido a esto, es posible utilizar fuentes de calor que tengan una temperatura baja, como estanques solares (Solar pond), que generalmente se calientan a 70-90 ° C [4] . La eficiencia termodinámica de tal variante del ciclo es baja debido a las bajas temperaturas, sin embargo, las fuentes de calor de baja temperatura son mucho más baratas que las de alta temperatura. La planta de energía geotérmica Landau en Alemania utiliza isopentano como fluido de trabajo .
Además, el ciclo de Rankine se puede utilizar con líquidos que tienen un punto de ebullición más alto que el agua para obtener una mayor eficiencia. Un ejemplo de tales máquinas es una turbina de vapor de mercurio que se utiliza como pieza de alta temperatura en una turbina de vapor de mercurio de ciclo binario de mercurio y agua.) [5] [6] .
Véase también
Notas
- ↑ Wiser, Wendell H. Recursos energéticos: ocurrencia, producción, conversión, uso (neopr.) . — Birkhauser, 2000. - Pág. 190. - ISBN 978-0-387-98744-6 .
- ↑ Canadá, Scott; G. Cohen, R. Cable, D. Brosseau y H. Price. Planta de energía solar de ciclo Rankine orgánico cilindroparabólico (inglés) // 2004 DOE Solar Energy Technologies: revista. - Denver, Colorado: Departamento de Energía de EE. UU. NREL, 2004. - 25 de octubre. Archivado desde el original el 18 de marzo de 2009.
- ↑ Button, Bill Organic Rankine Cycle Engines for Solar Power (enlace no disponible) . Conferencia Solar 2000 . Barber-Nichols Inc. (18 de junio de 2000). Consultado el 18 de marzo de 2009. Archivado desde el original el 20 de agosto de 2013.
- ↑ Nielsen et al., 2005, Proc. En t. Sociedad de Energía Solar
- ↑ Vukalovich MP Novikov II Termodinámica. M., 1972. S. 585.
- ↑ Tipos de turbinas de cogeneración Copia de archivo del 15 de abril de 2012 en Wayback Machine (Complejo educativo y metodológico "Termodinámica técnica") // Universidad Estatal de Chuvash. : “El mercurio tiene una baja presión de saturación a altas temperaturas y altos parámetros críticos p cr = 151 MPa (1540 kgf/cm 2 ), T cr = 1490 °C , y a una temperatura de, por ejemplo, 550 °C, la saturación la presión es de solo 1420 kPa (14,5 kgf / cm 2 ); esto permite realizar el ciclo de Rankine sobre vapor de mercurio saturado sin sobrecalentamiento con una eficiencia térmica suficientemente alta. … Por lo tanto, el mercurio como fluido de trabajo es bueno para la parte superior (alta temperatura) del ciclo e insatisfactorio para la parte inferior”.
Literatura
- Bystritsky G. F. Fundamentos de la energía. — M. : Infra-M, 2007. — 276 p. — ISBN 978-5-16-002223-9 .
- Termodinámica técnica. ed. VI Krutova. "Escuela secundaria" de Moscú. 1981. (formato djvu).
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