Miércoles, 30 Julio 2014

EL CICLO RANKINE


 

El ciclo que sigue el ciclo de vapor en las centrales de ciclo combinado corresponde al llamado Ciclo de Rankine y es la aplicación tecnológica del ciclo de Carnot para el caso de que el fluido motor sea un fluido condensable y durante su evolución se produzcan cambios de fase. De forma simplificada, y para el ciclo básico, la evolución del fluido sigue las siguientes etapas:

  1. Una etapa de expansión del fluido en fase vapor, realizada en una máquina térmica denominada turbina de vapor y lo más isentrópica posible.
  2. A la salida de la turbina de vapor, una cesión de calor residual del vapor a presión constante en un dispositivo llamado condensador. En este dispositivo se realiza la condensación total del mismo y su paso a fase líquida.
  3. Una o varias etapas de elevación de la presión del fluido. El proceso se realiza con el fluido en fase líquida, con bombas y fuera de la zona de cambio de fase. Ésta es una de las principales diferencias con el ciclo de Carnot ya que, en sentido estricto, para obtener la máxima eficiencia sería necesario realizar la compresión de un fluido bifásico, con la dificultad tecnológica que ello conlleva.
  4. Una etapa de aportación de calor a presión constante, que en los ciclos combinados se hace en la caldera de recuperación de calor por los gases de escape de la turbina de gas. El fluido realiza una etapa de calentamiento previo en fase líquida, un proceso de cambio de fase y una elevación posterior de la temperatura del vapor en lo que se denomina sobrecalentador, motivada por la necesidad de disminuir la humedad en el vapor en las últimas etapas de expansión de la turbina. Esto último constituye la segunda particularidad del ciclo de Ranking y otra diferencia fundamental con el ciclo de Carnot.
Figura 1. Ciclo básico de una turbina de vapor
 
 
El fluido motor empleado suele ser agua desmineralizada, fundamentalmente por su facilidad de manejo, reposición y abundancia, aunque conceptualmente no es el único y podrían emplearse otros fluidos tales como mercurio o fluidos orgánicos.
 

ELEMENTOS CONSTITUYENTES DEL CICLO AGUA-VAPOR


 

A continuación se detalla el recorrido del agua-vapor una vez sale de la turbina de vapor hasta que vuelve a entrar a la caldera de recuperación de calor, detallando por los elemento donde circula y lo que realiza en ellos. 
 
Los pasos que sigue el fluido en esta parte  son los siguientes, podemos guiarnos por la figura 2:
 
Figura 2. Esquema del funcionamiento del Ciclo Agua-Vapor
 
 
 
  1. Condensador (9): Es un intercambiador de calor formado por multitud de tubos, a través de los cuales circula el fluido refrigerante normalmente agua, su función es condensar el vapor que sale de la turbina de vapor, también se aprovecha en este punto para eliminar gases incondesables y nocivos ya que algunos  son muy corrosivos como el oxígeno, se eliminan por métodos físico o químicos como la hidracina. Los tubos del condensador deben estar especialmente preparados ya que van a trabajar en unas condiciones muy duras, donde se producirán depósitos que podrían atascarlos o reducir sus propiedades para el intercambio térmico, también están expuestos a agentes biológicos. Los tubos deben estar firmemente fijados para poder resistir las vibraciones provocadas por las vibraciones que provocan las altas velocidades del vapor al entrar en el intercambiador.
  2. Bombas de condensado (13): son las encargadas de enviar el agua condensada en el condensador al depósito de agua de alimentación.
  3. Tanque de alimentación y Desgasificador (11): Es el depósito donde almacenamos el agua de alimentación que ira a la caldera para convertirse en vapor y después ser conducido a la turbina de gas. El tanque también puede llevar acoplado un desgasificador ya que aprovechamos para eliminar los restos de oxígeno que no hemos podido quitar en el condensador, para eliminar el oxígeno calentamos el agua que hay en el depósito por medio de vapor que ha sido extraído de la turbina de vapor.
  4. Bombas de alimentación (12): son las encargadas de enviar el agua desde el tanque de alimentación al economizador, para que así vuelva a empezar el ciclo.
 
Normalmente en los ciclos combinados hay tres etapas de expansión en el lado de la turbina de vapor, están son de alta, media y baja presión, a continuación se pueden ver en la figura 3.
 
Figura 3. Ejemplo típico de un ciclo combinado
 
 
En este sistema hay 3 turbinas de vapor para cada uno de los niveles de presión y 3 calderines, con sus correspondientes sistemas de bombeo y calentamiento, existiendo un solo tanque de alimentación desgasificador donde van a parar todos los condensados de las turbinas.

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