Cicle Rankine

Disposició típica d'un cicle Rankine 1. Bomba, 2. Caldera, 3. Turbina, 4. Condensador

El cicle Rankine és un cicle termodinàmic que té com a objectiu la conversió de calor en treball, constituint lo que es denomina un cicle de potència. Com qualsevol atre cicle de potència, la seua eficiència està acotada per l'eficiència termodinàmica d'un cicle de Carnot que operara entre les mateixes temperatures, est és llímit màxim d'eficiència que impon el segon principi de la termodinàmica. Deu el seu nom al seu desenrollador, l'ingenier i físic escocés William John Macquorn Rankine.

La calor és suministrada a un decorregut, típicament aigua a alta pressió, a través d'una caldera, en a on es convertix en vapor sobrecalentado que fa girar una turbina, posteriorment el vapor torna a estat líquit en un condensador a on llibera el calor residual i es dirigix a una bomba que torna a aumentar la pressió del fluído per a reingresar a la caldera i aixina completar el cicle.

Procés

El cicle Rankine és un cicle de potència representatiu del procés termodinàmic que té lloc en una central tèrmica de vapor. Utilisa un decorregut de treball que alternativament evapora i condensa, típicament aigua (existixen atres tipos de substàncies que poden ser utilisats, com en els cicles Rankine orgànics). Per mig de la crema d'un combustible, el vapor d'aigua és produït en una caldera a alta pressió per a després ser dut a una turbina a on s'expandix per a generar treball mecànic en el seu eix (este eix, solidàriament unit al d'un generador elèctric, és el que generarà l'electricitat en la central tèrmica). El vapor de baixa pressió que ix de la turbina s'introduïx en un condensador, equip a on el vapor condensa i canvia a l'estat líquit (habitualment la calor és evacuada per mig d'una corrent de refrigeració procedent de la mar, d'un riu o d'un llac). Posteriorment, una bomba s'encarrega d'aumentar la pressió del decorregut en fase líquida per a tornar a introduir-ho novament en la caldera, tancant d'esta manera el cicle.

Existixen algunes millores al cicle descrit que permeten millorar la seua eficiència, com per eixemple sobrecalentamiento del vapor a l'entrada de la turbina, recalfada entre etapes de turbina o regeneració de l'aigua d'alimentació a caldera.

Existixen també centrals alimentades per mig d'energia solar tèrmica (centrals termosolares), en el cas de les quals la caldera és substituïda per un camp de colectors cilindre-parabòlics o un sistema de helióstatos i torre. Ademés este tipo de centrals posseïxen un sistema d'almagasenament tèrmic, habitualment de sals foses. El restant del cicle, aixina com dels equips que ho implementen, serien els mateixos que s'utilisen en una central tèrmica de vapor convencional.

Diagrama T-s del cicle

El diagrama T-S d'un cicle Rankine en vapor d'alta pressió sobrecalentado.

El diagrama T-s (temperatura i entropía) d'un cicle Rankine ideal està format per quatre processos: dos isoentrópicos i dos isobàrics. La bomba i la turbina són els equips que operen segons processos isoentrópicos (adiabàtics i internament reversibles). La caldera i el condensador operen sense pèrdues de càrrega i per tant sense caigudes de pressió. Els estats principals del cicle queden definits pels números de l'1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mescla bifásica de títul elevat o vapor humit; 3: líquit saturat; 4: líquit subenfriado). Els processos que tenim són els següents per al cicle ideal (processos internament reversibles):

• Procés 1-2: Expansió isoentrópica del decorregut de treball en la turbina des de la pressió de la caldera fins a la pressió del condensador. Es realisa en una turbina de vapor i es genera potència en l'eix de la mateixa.

• Procés 2-3: Transmissió de calor a pressió constant des del decorregut de treball cap al circuit de refrigeració, de manera que el decorregut de treball alcança l'estat de líquit saturat. Es realisa en un condensador (bescanviador de calor), idealment sense pèrdues de càrrega.
• Procés 3-4: Compressió isoentrópica del decorregut de treball en fase líquida per mig d'una bomba, lo que implica un consum de potència. S'aumenta la pressió del decorregut de treball fins al valor de pressió en caldera.
• Procés 4-1: Transmissió de calor cap al decorregut de treball a pressió constant en la caldera. En un primer tram del procés el decorregut de treball es calfa fins a la temperatura de saturació, després té lloc el canvi de fase líquit-vapor i finalment s'obté vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado d'alta pressió és l'utilisat per la turbina per a generar la potència del cicle (la potència neta del cicle s'obté realment descontant la consumida per la bomba, pero esta sol ser molt chicoteta en comparació i sol despreciar-se).

En un cicle més realiste que el cicle Rankine ideal descrit, els processos en la bomba i en la turbina no serien isoentrópicos i el condensador i la caldera presentarien pèrdues de càrrega. Tot això generaria una reducció del rendiment tèrmic del cicle. El rendiment isoentrópico de la turbina, que representa el grau d'alluntament d'una turbina respecte al procés ideal isoentrópico, jugaria un paper principal en les desviacions al cicle ideal i en la reducció del rendiment. El rendiment isoentrópico de la bomba i les pèrdues de càrrega en el condensador i la caldera tindrien una influència molt menor sobre la reducció de rendiment del cicle.

En les centrals tèrmiques de gas s'utilisa un cicle "germà" del cicle Rankine ideal: el cicle Brayton ideal. Este cicle utilisa un decorregut de treball que es manté en estat de gas durant tot el cicle (no hi ha condensació). Ademés utilisa un compressor en lloc d'una bomba (constructivamente sol anar solidàriament unida a la turbina de gas en un eix comú); per un atre costat, l'equip a on es produïx la combustió no es denomina caldera sino cámara o combustor. Els equips utilisats en estes instalacions són més compactes que els de les centrals tèrmiques de vapor i utilisen com a combustible habitual el gas natural. Finalment abdós tipos de cicles s'integren en les centrals tèrmiques de cicle combinat, a on la calor rebujada pel cicle Brayton (en la seua configuració més simple, aportat pels gasos calents de la combustió que abandonen la turbina de gas) és utilisat per a alimentar el cicle Rankine (substituint a la caldera).

Variables

${\dot{Q}}_{ent}$	Potència tèrmica d'entrada (energia per unitat de temps)
$\dot{m}$	Cabal másico (massa per unitat de temps)
$\dot{W}$	Potència mecànica suministrada o absorbida (energia per unitat de temps)
$\eta$	Rendiment tèrmic del cicle (relació entre la potència generada pel cicle i la potència tèrmica suministrada en la caldera, adimensional)
$h_1$, $h_2$, $h_3$, $h_4$	Entalpies específiques dels estats principals del cicle