¿Qué es un ciclo rankine?

     El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que contiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo de la misma forma lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine.
      
     El ciclo de Carnot es un ciclo de igual manera se presenta en el ciclo rankine el mismo consistes, cuando un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura, cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un respectivo trabajo sobre el exterior.

Historia y evolución

      El creador del ciclo de rankine fue;  William John Macquorn Rankine nació el 5 de julio de 1820  y muere 24 de diciembre de 1872. Fue un ingeniero y físico escocés. Junto con Rudolf Clausius, William Thomson y Lord Kelvin, fue uno de los pioneros de la termodinámica, enfocándose particularmente en la primera de las tres leyes de esta rama de la Física en particular.

     El año 1842 marcó también al primer intento de Rankine de reducir los fenómenos de calor a una fórmula matemática, pero su propósito se vio frustrado por la falta de datos experimentales.

    Luego volvió a su fascinación juvenil con la mecánica del motor térmico. Aunque su teoría de circulación de las corrientes de los vórtices elásticos cuyos volúmenes espontáneamente adaptados a su entorno pudiera sonar antojadiza para los científicos formados bajo un concepto moderno para la época, en 1849 logró hallar la relación entre la presión de vapor saturado y la temperatura. Al año siguiente utilizó su teoría para establecer relaciones entre temperatura, presión y densidad de los gases, y expresiones para el calor que permanecía en la evaporación de un líquido. Predijo con precisión el sorprendente hecho de que el calor específico aparente del vapor saturado sería negativo. 

      Una vez alentado por su éxito y tratar de satisfacer sus ganas por crear  motor térmico que se lleve a cabo a través de diferentes procesos termodinámicos lo conllevaron a establecer diferentes elementos básicos y mejoras interviniéndolo con otros ciclos ya generaron para un mejor rendimiento y ahorro de trabajo en el motor de esta manera se implementó el ciclo rankine para satisfacer tal necesidad.

Descripción del proceso

      
     El ciclo Rankine opera con vapor, y es el utilizado en las centrales termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor, que se hace incidir sobre los álabes de una turbina, donde pierde presión produciendo energía cinética. Prosigue el ciclo hacia un condensador donde el fluido se licúa, para posteriormente introducirlo en una bomba que de nuevo aumentará la presión, y ser de nuevo introducido en la caldera.

    Las etapas del proceso son las siguientes:

    En la transformación 1-2: Aumenta la presión del líquido sin pérdidas de calor, por medio de un compresor, con aportación de un trabajo mecánico externo.

    En la transformación 2-3: Se aporta calor al fluido a presión constante en una caldera, con lo que se evapora todo el líquido elevándose la temperatura del vapor al máximo.

    La transformación 3-4: Es una expansión adiabática, con lo que el vapor a alta presión realiza un trabajo en la turbina.

   La transformación 4-1: Consiste en refrigerar el fluido vaporizado a presión constante en el condensador hasta volver a convertirlo en líquido, y comenzar de nuevo el ciclo.

Para establecer una optimización del proceso  el aprovechamiento del combustible, se somete al fluido a ciertos procesos, para tratar de incrementar el área encerrada en el diagrama p-V. Estableciendo las diferentes etapas compuestas por el ciclo:

    Pre-calentamiento del agua comprimida 4-5: aprovechando el calor de los gases que salen por la chimenea de la caldera. Con esto no se aumenta el área del diagrama, pero se reduce el calor que hay que introducir al ciclo.

    Recalentamiento del vapor que ha pasado por la turbina 5-6: haciéndolo pasar por la caldera y después por otra turbina de baja presión.

Estas dos últimas etapas del proceso no se establecen como tal en el ciclo; pero a través de diferentes estudios cuando se incrementan estas dos últimas etapas la misma permite establecer el rendimiento del proceso del ciclo de rankine generando una mejora en el trabajo del proceso.

Diagramas y estudios

    
      1-2 Compresión isotrópica en una bomba.

          2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera.

   3-4 Expansión isotrópica en una turbina.

  4-5 Rechazo de calor a presión constante en un condensador.

Video explicativo del ciclo rankine