Ciclo de Rankine Regenerativo

Significado del ciclo Rankine regenerativo

El concepto de Ciclo Rankine Regenerativo (CRR) desempeña un papel fundamental en el funcionamiento de las centrales eléctricas, sobre todo las que dependen de la energía de vapor. El término "regenerativo" se utiliza porque este ciclo incorpora un método para recuperar el calor durante el ciclo.

El principio del ciclo Rankine regenerativo

Relativamente más específico, el Ciclo Rankine Regenerativo se desvía de un Ciclo Rankine simple al utilizar calentadores de agua de alimentación. Estos calentadores recuperan la energía del vapor que sale de las turbinas. Este proceso, conocido como "regeneración", es la razón del nombre del ciclo, ya que regenera el calor internamente, mejorando así la eficacia del ciclo y generando más energía con la misma cantidad de insumos.

Los componentes del ciclo Rankine regenerativo

Los componentes principales del Ciclo Rankine Regenerativo son la caldera, la turbina, el condensador y la bomba, junto con uno o varios calentadores de agua de alimentación. Profundicemos un poco más en cada elemento:

• Caldera: Aquí es donde se añade calor (procedente de la quema de combustible) al agua para convertirla en vapor, siempre a alta presión.
• Turbina: El vapor de la caldera se expande aquí, haciendo girar la turbina para crear energía eléctrica.
• Condensador: El vapor de escape de la turbina se enfría y se condensa de nuevo en agua.
• Bomba: El agua del condensador se bombea de nuevo a la caldera para completar el ciclo.
• Calentadores de agua de alimentación: Captan y utilizan el calor restante del vapor de escape de baja presión de la turbina para precalentar el agua antes de que vuelva a la caldera, mejorando aún más la eficiencia.

Aquí tienes una tabla sencilla que muestra el progreso paso a paso en un Ciclo Rankine Regenerativo:

Ejemplos de trabajo con el ciclo Rankine regenerativo

La comprensión de la funcionalidad del Ciclo Rankine Regenerativo puede verse muy facilitada por ejemplos prácticos. Estos ejemplos no sólo ilustrarán la mecánica general, sino que profundizarán en el funcionamiento de cada componente del ciclo.

Ejemplo 1: Exploración del Ciclo Rankine Regenerativo

Considera una central eléctrica de vapor que funcione exclusivamente con un Ciclo Rankine Regenerativo. Aquí, el vapor a la salida de la turbina se purga a varios intervalos para su rejuvenecimiento. Esto se consigue mediante múltiples etapas de calentamiento del agua de alimentación. Como tal, el calentamiento se realiza mediante vapor extraído de varias etapas de la turbina.

Brevemente, este proceso permite recuperar más calor, con la consiguiente disminución del consumo de combustible. Además, estos desvíos de vapor aumentan significativamente la eficiencia global de la central. El aumento real depende del número de etapas del agua de alimentación y de las condiciones en que se produce la recuperación de calor.

Consideremos ahora una situación más compuesta. Por ejemplo, supongamos que el vapor tiene un caudal másico de 20 kg/s a la entrada de la turbina. Las propiedades del vapor en este punto se dan como 8MPa, 480°C grados. A continuación, entra en la turbina para expandirse hasta una presión intermedia de 2MPa, donde se purga una fracción del vapor. Allí se expande finalmente isentrópicamente hasta la presión final de 0,008MPa. Además, se supone un rendimiento de la bomba del 85%.

Para calcular el rendimiento térmico de este ciclo, hay que utilizar la siguiente fórmula:

Ejemplo 2: El ciclo Rankine regenerativo en acción

Siguiendo con el ejemplo anterior, podemos determinar la eficiencia del ciclo utilizando los datos proporcionados. La entalpía total se extrae de la caldera hasta el punto de expansión del vapor. Cada entalpía específica, \( h_{2}, h_{3}, h_{4}, h_{5} \) puede determinarse a partir de las condiciones específicas de presión y temperatura en el escenario dado.

Empleando un diagrama de Mollier o tablas de vapor, puede calcularse la entalpía en cada etapa crucial. De este modo puede obtenerse la potencia neta de salida (\( W_{net,out} \)) y el aporte de calor (\( Q_{in} \)). \(\( W_{net,out} \) = W_{turbina} - W_{bomba} = m*(h3 - h2) - m*(h5 - h4)\), donde m es el caudal másico y h se refiere a la entalpía específica en las distintas etapas. El aporte de calor \( Q_{in} \)= m*(h3 - h1), donde h1 es el estado inicial a la entrada de la caldera.

Los valores calculados deben sustituirse de nuevo en la fórmula de eficiencia térmica \(η_{th} = \frac{W_{net,out}}{Q_{in}}) para obtener la eficiencia final del ciclo.

Si comprendes estos métodos para calcular la eficiencia de un Ciclo Rankine Regenerativo, podrás observar los significativos aumentos de eficiencia derivados del uso de la regeneración en contraste con un Ciclo Rankine estándar.

En esencia, todas las operaciones del Ciclo Rankine Regenerativo se basan en estos principios, aunque en algunas aplicaciones industriales puedan observarse algunas variaciones en los detalles. Sin embargo, la idea fundamental de recuperar y reutilizar el calor sigue siendo la misma.

Aplicaciones prácticas del Ciclo Rankine Regenerativo

El Ciclo Rankine Regenerativo tiene infinidad de aplicaciones prácticas, sobre todo en el ámbito de la producción de electricidad y energía. En cualquier situación en la que se demande una conversión eficiente de calor en trabajo, el Ciclo Rankine Regenerativo encuentra su utilidad. Al aprovechar la energía que de otro modo se habría perdido, este ciclo aumenta la eficacia operativa y promueve la conservación de los recursos.

Utilización del Ciclo Rankine Regenerativo en la Producción de Energía

La principal aplicación del Ciclo Rankine Regenerativo se encuentra en los sectores de producción de energía en los que existen grandes necesidades de generación de energía eficiente y fiable. En estas situaciones, la conservación y el uso óptimo de los recursos son principios fundamentales para la sostenibilidad y la viabilidad económica.

Las centrales eléctricas, especialmente las que funcionan con combustibles no renovables, han adoptado el Ciclo Rankine Regenerativo como funcionalidad estándar. Concretamente, en las centrales de carbón y nucleares, el calor del combustible y del reactor, respectivamente, se utiliza para generar vapor. Este vapor, a alta temperatura y presión, se expande después en una turbina para generar energía.

Normalmente, en un Ciclo Rankine Simple, este vapor se enfría y se bombea de nuevo a la caldera para reiniciar el ciclo. Sin embargo, este proceso no extrae todo el potencial energético del vapor. En el Ciclo Rankine Regenerativo, el vapor se purga en distintas etapas y se hace pasar por los calentadores de agua de alimentación. Este sistema recupera así la energía latente del vapor antes de que se condense.

Es crucial mencionar que se pueden utilizar varios calentadores de agua de alimentación, cada uno de los cuales utiliza el vapor purgado de distintas etapas de la turbina. Esta recuperación escalonada del calor de escape de la turbina constituye una parte fundamental del proceso de recuperación de energía.

Básicamente, esto es lo que ocurre

• Cuando se purga el vapor de la turbina, su presión y temperatura descienden, liberando calor.
• Este calor calienta el agua que se va a bombear de nuevo a la caldera.
• La caldera necesita ahora menos calor para producir el vapor, ya que el agua está precalentada, lo que mejora la eficacia global del ciclo.

El ciclo Rankine regenerativo en entornos industriales

En entornos industriales, se necesitan sistemas potentes para mejorar la eficiencia y la productividad. El Ciclo Rankine Regenerativo es frecuente en estos ámbitos debido a sus propiedades de ahorro energético.

Además, el Ciclo Rankine y sus derivados se aplican de numerosas formas fuera del sector de la producción de energía. Las operaciones industriales aprovechan habitualmente el calor residual de los procesos y lo convierten en trabajo útil utilizando los principios del Ciclo Rankine Regenerativo.

Un ejemplo son las centrales combinadas de calor y electricidad (CHP), en las que el calor residual de la producción de electricidad se utiliza para soluciones de calefacción. El calor residual puede transferirse directamente para calefacción, o puede utilizarse en un ciclo secundario, a menudo un Ciclo Rankine Regenerativo, para generar electricidad adicional. Al acoplar la producción de calor y electricidad, estos sistemas suelen alcanzar una eficiencia energética global muy alta.

Además, la industria naval aprovecha las ventajas del Ciclo Rankine Regenerativo. Los grandes buques oceánicos tienen enormes motores de propulsión, que a menudo funcionan con fuel pesado o gasóleo. El calor de escape de estos motores es considerable, y en lugar de expulsarlo a la atmósfera, se utiliza en un Ciclo Rankine Regenerativo para generar energía adicional para uso a bordo.

La versatilidad del Ciclo Rankine Regenerativo ya se ha mencionado. Al aprovechar el calor "residual" para generar energía adicional, el proceso aumenta la eficiencia energética y promueve el uso sostenible de los recursos. Como sus principios son escalables y adaptables a diferentes condiciones, diferentes industrias de todo el mundo siguen utilizando el Ciclo Rankine Regenerativo para la generación de energía.

Formulación del Ciclo Rankine Regenerativo

El Ciclo Rankine Regenerativo se basa en principios termodinámicos particulares y se representa matemáticamente mediante un conjunto de fórmulas. Estas fórmulas te permiten profundizar en la eficacia del ciclo cuantificando la eficiencia y la producción de trabajo.

La fórmula básica del ciclo Rankine regenerativo

Empecemos por la fórmula fundamental del Ciclo Rankine Regenerativo. Dado que se trata de un ciclo termodinámico, trata principalmente de la transferencia de calor y trabajo. La entrada total de calor en el ciclo (\( Q_{in} \)) y la salida de trabajo de la turbina (\( W_{turbina} \)) son las claves de la fórmula básica.

El aporte de calor al Ciclo Rankine Regenerativo es la entalpía total extraída de la caldera y los calentadores de agua de alimentación. La entalpía, en este contexto, es el contenido de calor del vapor que entra en la turbina y puede denotarse mediante la ecuación

Las variables de la ecuación anterior significan:

• \(m\): Caudal másico del vapor
• \(h_{3}\): Entalpía del vapor al final del recalentamiento
• \(h_{4}\): Entalpía del vapor después del punto de pinzamiento del agua de alimentación

La producción de trabajo de la turbina puede representarse como la diferencia de entalpías a través de la turbina, multiplicada por el caudal másico de vapor. Esto puede traducirse en la fórmula

Las variables de esta ecuación son:

• \(m\): Caudal másico del vapor
• \(h_{1}\): Entalpía del vapor a la entrada de la turbina
• \(h_{3}\): Entalpía del vapor al final del recalentamiento

Estas ecuaciones proporcionan los fundamentos básicos para analizar cómo se convierte la energía en trabajo en una central eléctrica de Ciclo Rankine Regenerativo.

Comprender la fórmula de eficiencia del ciclo Rankine regenerativo

Pasemos a un aspecto crucial de cualquier ciclo: la eficiencia. La eficiencia (\( η \)) de un Ciclo Rankine Regenerativo es una medida de la eficacia con la que convierte el calor de entrada en trabajo de salida. Se calcula como la relación entre el trabajo neto de salida y el calor total de entrada.

Denotemos el trabajo realizado por la bomba (\( W_{bomba} \)) y el trabajo realizado por la turbina (\( W_{turbina} \)). Entonces, tenemos la siguiente fórmula para la producción de trabajo neto (\( W_{net,out} \)):

Y así es como denotamos el aporte de calor, \( Q_{in} = m \cdot (h_{3} - h_{1}) \).

Por tanto, podemos definir la fórmula de la eficiencia, \( η_{th} = \frac{W_{net,out}}{Q_{in}} \), que da la relación entre el trabajo de salida y el calor de entrada expresada en porcentaje.

Estas fórmulas y cálculos te permiten comprender mejor las transformaciones energéticas que tienen lugar en el ciclo. Un funcionamiento eficiente del Ciclo Rankine Regenerativo se traduce en un menor consumo de combustible y una mayor potencia de salida, lo que aumenta el rendimiento general de las centrales eléctricas.

Para concluir, el Ciclo Rankine Regenerativo inicia un nuevo enfoque de los sistemas de recuperación y reutilización del calor. Este ciclo permite que los procesos que implican calor sean más económicos y eficientes, lo que lo hace ideal para la producción de energía y los procesos industriales exigentes.

Estudio del ciclo Rankine regenerativo con calentador de agua de alimentación cerrado

Al explorar los entresijos del Ciclo Rankine Regenerativo, nunca se insistirá lo suficiente en el papel del calentador cerrado de agua de alimentación. Este componente central no sólo mejora el funcionamiento del ciclo, sino que también mejora significativamente la eficiencia térmica de la central. Su ubicación y función dentro del ciclo tienen implicaciones directas en la eficiencia global de transferencia de energía.

El papel del calentador de agua de alimentación cerrado en el ciclo Rankine regenerativo

En el ciclo Rankine regenerativo, se produce un proceso de intercambio de calor entre el vapor que se expande en la turbina y el agua de alimentación que se bombea hacia la caldera. Aquí, el calor fluye del vapor a alta temperatura al agua a baja temperatura. Esta transferencia de calor se facilita mediante un dispositivo llamado calentador cerrado de agua de alimentación.

Un calentador cerrado de agua de alimentación es esencialmente un intercambiador de calor en el que el calor se transfiere del vapor extraído de la turbina al agua de alimentación que vuelve al generador de vapor. Funciona mezclando directamente el agua de alimentación con el vapor extraído. Este proceso de mezcla se produce en un entorno cerrado, de ahí la nomenclatura.

El mecanismo de funcionamiento puede resumirse como sigue:

• El vapor extraído, también conocido como vapor de purga o vapor de extracción, entra en el calentador a alta temperatura.
• El agua de alimentación, a menor temperatura, también entra en el calentador, aunque en una sección diferente.
• El intercambio de calor se produce a través de la pared de separación entre las secciones, y el calor fluye del vapor al agua de alimentación.
• El agua de alimentación calentada se devuelve a la caldera, reduciendo así la energía que ésta necesita para transformarla en vapor.

El objetivo principal del calentador de agua de alimentación cerrado en un Ciclo Rankine Regenerativo es calentar al máximo el agua de alimentación mediante el vapor de extracción de la turbina. De este modo, reduce significativamente el consumo de combustible de todo el ciclo y mejora el rendimiento térmico de la central.

Mejora de la eficiencia mediante el ciclo Rankine regenerativo con calentador de agua de alimentación cerrado

El Ciclo Rankine Regenerativo con calentador de agua de alimentación cerrado permite mejorar sustancialmente la eficiencia de la generación de energía. Como ya se ha dicho, lo hace utilizando eficazmente el calor del vapor purgado y transfiriéndolo al agua de alimentación.

Una forma notable de optimizar la eficiencia es reducir la demanda de energía adicional para calentar el agua de alimentación. El hecho de que el agua de alimentación ya haya obtenido calor del vapor purgado reduce notablemente la cantidad de calor que necesita la caldera para convertir el agua de alimentación en vapor.

En consecuencia, la producción total de trabajo del ciclo aumenta, mientras que la demanda de aporte de energía se reduce al mínimo. Esto conduce a una mayor eficiencia térmica, calculada como la relación entre la producción de trabajo y el aporte de calor.

En un contexto matemático, la eficiencia (\( η_{th} \)) puede expresarse como

Donde

• \( W_{net,out} \) representa la producción de trabajo neto del ciclo, y
• \( Q_{in} \) significa el aporte total de calor al ciclo.

Cuanto mayor sea el valor de \( W_{net,out} \} y menor sea el valor de \( Q_{in} \}), mayor será la eficiencia térmica. Si se aplica el ciclo Rankine regenerativo con un calentador de agua de alimentación cerrado, aumentará el valor ( W_{net,out} \}) y disminuirá el valor ( Q_{in} \}), con lo que aumentará el valor ( η_{th} \}).

Por tanto, el funcionamiento del calentador de agua de alimentación cerrado dentro del Ciclo Rankine Regenerativo desempeña un papel fundamental en la mejora de la eficiencia de los sistemas de generación de energía. Al aprovechar eficazmente el potencial del vapor de purga, promoviendo un uso más sostenible de los recursos, la integración de los calentadores cerrados de agua de alimentación establece un importante salto adelante en las prácticas de generación y conservación de energía.