Ciclos de Vapor Rankine y Hirn: Principios y Sobrecalentamiento

Componentes Clave en Ciclos Termodinámicos

El Condensador

El condensador tiene la función de bajar la temperatura de la fuente fría, mejorando la eficiencia del ciclo. Su presión es muy inferior a la atmosférica, provocando saltos de presiones mayores, lo que aumenta la cantidad de trabajo recuperable.

Ciclo de Rankine Básico

El ciclo de Rankine describe la operación de una central térmica de vapor. Sus etapas son:

1. En (1), la caldera entrega vapor saturado.
2. Este vapor es entregado al expansor (turbina). Allí, el vapor se expande entre la presión de la caldera y la presión del condensador, produciendo el trabajo W.
3. La turbina descarga el vapor en el estado (2). Este es vapor con título menor a 1 y es admitido al condensador.
4. Luego, se condensa a presión y temperatura constante, evolución (2)-(3). Del condensador se extrae el líquido condensado con título x=0, en el estado (3).
5. Finalmente, la bomba aumenta la presión del condensado de pcond a pcaldera, evolución (3)-(4), y reinyecta el condensado en la caldera.

Problemas del Ciclo de Rankine Básico

El ciclo de Rankine básico presenta inconvenientes:

• El vapor tiende a salir de la máquina con un título bastante inferior a 1, lo que causa, en ciertos casos como en turbinas, desgaste y erosión en las piezas fijas y móviles.
• Otro inconveniente son las irreversibilidades termodinámicas que, si se usa un combustible (llama) como fuente de calor, pueden ser muy graves.

La solución a estos problemas es agregar un sobrecalentamiento del vapor, es decir, el vapor se saca de la caldera y se sigue calentando a presión constante.

Ciclo de Hirn (Rankine con Sobrecalentamiento)

El ciclo de Hirn incorpora el sobrecalentamiento para mejorar el rendimiento:

1. En (1), la caldera entrega vapor saturado con título=1.
2. Luego, se tiene el proceso (1)-(2) en el que el vapor es sobrecalentado a presión constante. Sale en el estado (2) como vapor sobrecalentado y allí entra a la turbina.
3. Allí, el vapor se expande entre la presión de la caldera y la presión del condensador, proceso (2)-(3), produciendo el trabajo W.
4. La turbina descarga el vapor en el estado (3). Este es vapor con título menor a 1 y es admitido al condensador.
5. Aquí se condensa a presión y temperatura constante, evolución (3)-(4). Del condensador se extrae líquido condensado con título=0, en el estado (4).
6. Luego, la bomba aumenta la presión del condensado de pcond a pcaldera, evolución (4)-(5), y reinyecta el condensado en la caldera.

Ciclo de Hirn con Múltiples Sobrecalentamientos

Para optimizar aún más, se pueden añadir múltiples etapas de sobrecalentamiento:

1. En (1), la caldera entrega vapor saturado.
2. Luego, se tiene el proceso (1)-(2) en que el vapor se sobrecalienta por primera vez. Sale en el estado (2) y allí entra a la turbina de alta presión T1.
3. Allí, el vapor se expande entre la presión de la caldera y la presión intermedia, produciendo el trabajo W1.
4. La turbina descarga el vapor en el estado (3). Este vapor se introduce en el segundo sobrecalentador donde se calienta a presión constante hasta el estado (4).
5. Luego, se expande (proceso (4)-(5)) en la turbina de baja presión T2.
6. La segunda turbina descarga el vapor al condensador. Aquí se condensa a presión y temperatura constante, evolución (5)-(6). Del condensador se extrae líquido condensado con título=0, en el estado (6).
7. Luego, la bomba aumenta la presión del condensado de pcond a pcaldera, evolución (6)-(7), y reinyecta el condensado en la caldera.