Cicle Rankine. La conversió de calor a la feina i els seus usos
El cicle de Rankine és un cicle termodinàmic compost per dues transformacions isoentròpiques i dues isòbares. El seu propòsit és transformar la calor a la feina utilitzant un intercanviador de calor. És la base del disseny de màquines de vapor de qualsevol tipus.
En un procés isentròpic l'entropia del sistema roman constant mentre que en un procés isobàric el que es manté constant és la pressió.
El cicle de Rankine pot ser:
-
Cicle de Rankine obert, amb la descàrrega de vapor a l'atmosfera (com ara les velles locomotores de vapor).
-
Cicle de Rankine tancat, com en el cas de les centrals termoelèctriques. Als cicles tancats es pot aprofitar la calor residual de la condensació de vapor mitjançant la cogeneració.
Com funciona el cicle de Rankine?
El cicle de Rankine funciona amb quatre processos termodinàmics. Els estats s'identifiquen per números (en marró) al diagrama T – S (temperatura – entropia.)
-
Procés 1-2: compressió isentròpica a la bomba. El fluid de treball es bomba de baixa a alta pressió. Com que el fluid és un líquid en aquesta etapa, la bomba requereix poca energia dentrada.
-
Procés 2-3: addició de calor a pressió constant a la caldera. El líquid d'alta pressió ingressa a una caldera, on s'escalfa a pressió constant mitjançant un procés isobàric per una font de calor externa per esdevenir un vapor sec saturat. En aquesta fase es fa un canvi de fase de l'aigua de líquid de gas.
-
Procés 3-4: expansió isentròpica en turbina. El vapor sec saturat s'expandeix mitjançant una turbina de vapor, generant energia. Des d'un punt de vista termodinàmic, això disminueix la temperatura i la pressió del vapor, i pot passar una mica de condensació.
-
Procés 4-1: rebuig de calor a pressió constant al condensador, procés isobàric. El vapor humit ingressa a un condensador, on es condensa a una pressió constant per esdevenir un líquid saturat.
En un cicle ideal de Rankine, la bomba i la turbina serien isentròpiques. És a dir, la bomba i la turbina no generarien entropia i, per tant, maximitzarà la producció neta de feina. Els processos 1-2 i 3-4 estarien representats per línies verticals al diagrama TS i s'assemblarien més al del cicle de Carnot.
El cicle de Rankine que es mostra aquí evita que l'estat del fluid de treball acabi a la regió de vapor sobreescalfat després de l'expansió a la turbina de vapor. En aquest cas, es redueix lenergia eliminada pels condensadors.
El cicle denergia de vapor real difereix del cicle de Rankine ideal a causa de les irreversibilitats causades per la fricció del fluid i la pèrdua de calor als voltants. La fricció del fluid provoca caigudes de pressió durant el circuit del fluid. Alhora, la pèrdua de calor redueix la producció neta de treball i requereix l'addició de calor al vapor.
Per què es fa servir el cicle Rankine?
El cicle descriu el funcionament de màquines tèrmiques a centrals tèrmiques. Les fonts de calor habituals d'aquestes plantes són els combustibles fòssils, l'energia solar o el combustible nuclear.
Encara que un cicle de Rankine pot funcionar amb diverses substàncies, l'aigua se sol utilitzar per diverses propietats favorables. Aquestes plantes utilitzen aigua com a fluid motor, ja sigui en forma líquida o en forma de vapor o gas, amb l'anomenat turbina de vapor.
Les temperatures relativament baixes en el cicle Rankine fan que aquest cicle s'utilitzi com un cicle de baixa temperatura en centrals tèrmiques que operen després d'un cicle combinat de vapor i gas.
D'altra banda, està caient ràpidament en desús al camp de la tracció ferroviària i la propulsió marina, suplantat pel motor dièsel i el motor elèctric.