Menu

Termodinàmica.
Transformació de l'energia

Energia tèrmica i combustió.
Efectes de la termodinàmica

Entropia

Cicle de Rankine

Cicle de Rankine

El cicle de Rankine és un cicle termodinàmic compost per dues transformacions isoentrópicas i dues isòbares. El seu propòsit és transformar la calor en treball. És la base del disseny de màquines de vapor de qualsevol tipus.

Aquest cicle és generalment adoptat principalment en centrals termoelèctriques per a la producció d'energia elèctrica i utilitza aigua com a fluid motor, ja sigui en forma líquida o en forma de vapor o gas, amb l'anomenat turbina de vapor. Per a aquest ús, l'aigua es desmineralitza i desgasifica adequadament.

D'altra banda, està caient ràpidament en desús en el camp de la tracció ferroviària i la propulsió marina, suplantat pel motor dièsel i el motor elèctric. En canvi, segueix sent indispensable per als equips de motors nuclears (centrals elèctriques, submarins i portaavions).

El cicle de Rankine pot ser:

Cicle de Rankine obert, és a dir, amb la descàrrega de vapor a l'atmosfera (com era el cas de les velles locomotores de vapor, que havien de transportar, a més del carbó, també aigua).

Cicle de Rankine tancat, com en el cas de les centrals termoelèctriques, incloses les centrals de cicle combinat. És possible explotar la calor residual de la condensació de vapor (cogeneració), fins i tot transportant-ho a través d'una xarxa de calefacció urbana.

Els quatre processos en el cicle de Rankine

diagrama temperatura entropia del cicle de Rankine

Hi ha quatre processos termodinàmics en el cicle de Rankine. Els estats s'identifiquen per números (en marró) en el diagrama T - S (temperatura - entropia.)

Procés 1-2: el fluid de treball es bomba de baixa a alta pressió. Com el fluid és un líquid en aquesta etapa, la bomba requereix poca energia d'entrada.

En altres paraules, el Procés 1-2 implica compressió isentrópica a la bomba, procés isentròpic.

Procés 2-3: 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 convertir-se en un vapor sec saturat. L'energia d'entrada requerida pot calcular-se fàcilment gràficament, utilitzant un gràfic d'entalpia - entropia (gràfic hs o diagrama de Mollier), o numèricament, utilitzant taules de vapor.

En altres paraules, el Procés 2-3 és addició de calor a pressió constant en la caldera, procés isobàric.

Procés 3-4: El vapor sec saturat s'expandeix a través d'una turbina de vapor, generant energia. Des d'un punt de vista termodinàmic, això disminueix la temperatura i la pressió de vapor, i pot ocórrer una mica de condensació. La sortida en aquest procés es pot calcular fàcilment utilitzant el gràfic o les taules indicades anteriorment.

En altres paraules, el Procés 3-4 és expansió isentrópica a turbina, procés isentròpic.

Procés 4-1: el vapor humit ingressa a un condensador, on es condensa a una pressió constant per convertir-se en un líquid saturat.

En altres paraules, el Procés 4-1 és rebuig de calor a pressió constant en el condensador, procés isobàric.

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, maximitzarien la producció neta de treball. Els processos 1-2 i 3-4 estarien representats per línies verticals en el diagrama T - S i s'assemblarien més al del cicle de Carnot. El cicle de Rankine que es mostra aquí s'evita que l'estat del fluid de treball acabi a la regió de vapor sobreescalfat després de l'expansió a la turbina de vapor, el que redueix l'energia eliminada pels condensadors.

El cicle d'energia de vapor real difereix del cicle de Rankine ideal causa de les irreversibilitats en els components inherents causades per la fricció del fluid i la pèrdua de calor a les rodalies; la fricció del fluid provoca caigudes de pressió a la caldera, el condensador i la canonada entre els components, i com a resultat el vapor surt de la caldera a una pressió més baixa; la pèrdua de calor redueix la producció neta de treball, per tant, es requereix l'addició de calor al vapor a la caldera per mantenir el mateix nivell de producció neta de treball.

Cicle orgànic de Rankin

Un cicle orgànic de Rankin o ORC és un procés Rankin amb un solvent orgànic com propà, isobutà, isopentano o amoníac en lloc de vapor. Sovint es fa servir una turbina per això. Com que un solvent orgànic té un punt d'ebullició més baix que l'aigua, el cicle orgànic de Rankin permet extreure energia des d'una temperatura més baixa fins a 100 ° C. Per tant, aquest cicle és particularment adequat per utilitzar calor residual.

Principi de funcionament del cicle orgànic de Rankin

El principi operatiu del cicle orgànic de Rankin és el mateix que el del cicle Rankin: el fluid de treball es bomba a una caldera on s'evapora, passa a través d'un dispositiu d'expansió (turbina o un altre expansor), i després a través de un intercanviador de calor del condensador on finalment es condensa de nou. En el cicle ideal descrit model teòric del motor, l'expansió isentrópica i els processos termodinàmics d'evaporació i condensació isobàrica. En un cicle real, la presència d'irreversibilitat redueix l'eficiència del cicle. Aquestes irreversibilitats ocorren principalment durant l'expansió i en els intercanviadors de calor.

Irreversibilitats durant l'expansió: llavors només s'obté una part de l'energia i la diferència de pressió es converteix en treball útil. L'altra part es converteix en calor i es perd. L'eficiència de l'expansor es determina per comparació amb una expansió mitjançant un procés isentròpic.

Irreversibilitats en els intercanviadors de calor: el líquid pren un camí llarg i sinuós que garanteix un bon intercanvi d' energia tèrmica, però assegura que la pressió caigui, el que resulta en una menor quantitat d'energia en el cicle. La diferència de temperatura entre la font de calor / embornal i el fluid de treball també genera exergia i redueix els temps de cicle.

En el cas d'un "fluid sec", el cicle orgànic de Rankin pot millorar-se utilitzant un regenerador perquè el fluid no arriba l'estat bifàsic al final de l'expansió, la temperatura en aquest punt serà més alta que la temperatura de condensació. Aquesta temperatura més alta es pot fer servir per escalfar el líquid abans que ingressi a l'evaporador. Per tant, es munta un intercanviador de calor de contraflujo entre la sortida de l'expansor i l'entrada de l'evaporador. La potència requerida de la font de calor es redueix a la meitat i s'augmenta l'eficiència.

valoración: 3 - votos 1

Última revisió: 27 de agost de 2019