Este documento describe el ciclo Rankine de potencia mediante vapor. Analiza los procesos que involucra el ciclo, incluyendo la expansión isentrópica a través de la turbina, la transferencia de calor en el condensador y la compresión isentrópica en la bomba. También examina cómo mejorar la eficiencia térmica del ciclo mediante la adición de sobrecalentamiento y recalentamiento del vapor. Finalmente, discute las principales irreversibilidades que ocurren en la turbina y la bomba.

1. CAPITULO 9CAPITULO 9
CICLO RANKINE DECICLO RANKINE DE
POTENCIAPOTENCIA
MEDIANTE VAPORMEDIANTE VAPOR
OBJETIVO:OBJETIVO:
 Analizar ciclos de Potencia de vapor en losAnalizar ciclos de Potencia de vapor en los
cuales el fluido de trabajo se evapora y condensacuales el fluido de trabajo se evapora y condensa
alternadamente.alternadamente.
 Analizar el ciclo básico de potencia de vaporAnalizar el ciclo básico de potencia de vapor
Rankine para incrementar la eficiencia térmica delRankine para incrementar la eficiencia térmica del
ciclo.ciclo.

2. 9.1 INTRODUCCIÓN9.1 INTRODUCCIÓN
La mayoría de las centrales generadoras deLa mayoría de las centrales generadoras de
electricidad son variaciones de ciclos deelectricidad son variaciones de ciclos de
potencia de vapor en los que el agua es elpotencia de vapor en los que el agua es el
fluido de trabajo. En la figura 1 se muestrafluido de trabajo. En la figura 1 se muestra
esquemáticamente los componentes básicosesquemáticamente los componentes básicos
de una central térmica de vapor simplificada.de una central térmica de vapor simplificada.
El vapor es el fluido de trabajo usado másEl vapor es el fluido de trabajo usado más
comúnmente en ciclos de potencia de vaporcomúnmente en ciclos de potencia de vapor
debidas a las muchas y atractivasdebidas a las muchas y atractivas
características, como bajo costo,características, como bajo costo,
disponibilidad y alta entalpia de vaporización.disponibilidad y alta entalpia de vaporización.

4. 9.29.2 Ciclo Rankine de potenciaCiclo Rankine de potencia
Todos los fundamentos necesarios para elTodos los fundamentos necesarios para el
análisis termodinámico de los sistemas deanálisis termodinámico de los sistemas de
generación de energía eléctrica, como elgeneración de energía eléctrica, como el
principio de conservación de la masa y deprincipio de conservación de la masa y de
la energía, el segundo principio de lala energía, el segundo principio de la
termodinámica y la determinación determodinámica y la determinación de
propiedades termodinámicas.propiedades termodinámicas.

5. 9.29.2 Ciclo Rankine de potenciaCiclo Rankine de potencia
 Estos principiosEstos principios
pueden aplicarse apueden aplicarse a
los componenteslos componentes
individuales de unaindividuales de una
planta tales comoplanta tales como
Turbina, bombas,Turbina, bombas,
intercambiadores deintercambiadores de
calor, así como alcalor, así como al
conjunto de la centralconjunto de la central
eléctrica poreléctrica por
complicada que sea.complicada que sea.

6. 9.3 El ciclo Rankine ideal9.3 El ciclo Rankine ideal
El fluido de trabajo sufre la siguiente serieEl fluido de trabajo sufre la siguiente serie
de procesos internamente reversibles:de procesos internamente reversibles:

7. 9.3 El ciclo Rankine ideal9.3 El ciclo Rankine ideal
Proceso 1-2Proceso 1-2: expansión isentrópica: expansión isentrópica
del fluido de trabajo a través de ladel fluido de trabajo a través de la
turbina desde vapor saturado en elturbina desde vapor saturado en el
estado 1 hasta la presión delestado 1 hasta la presión del
condensador.condensador.
Proceso 2-3Proceso 2-3: Transferencia de calor: Transferencia de calor
desde el fluido de trabajo cuandodesde el fluido de trabajo cuando
fluye a presión constante por elfluye a presión constante por el
condensador, siendo líquido en elcondensador, siendo líquido en el
estado 3.estado 3.

8. 9.3 El ciclo Rankine ideal9.3 El ciclo Rankine ideal
Proceso 3-4:Proceso 3-4: CompresiónCompresión
isentrópica en la bomba hastaisentrópica en la bomba hasta
el estado 4 dentro de la zonael estado 4 dentro de la zona
de líquido.de líquido.
Proceso 4-1:Proceso 4-1: Transferencia deTransferencia de
calor hacia el fluido de trabajocalor hacia el fluido de trabajo
cuando circula a presióncuando circula a presión
constante a través de laconstante a través de la
caldera, completándose elcaldera, completándose el
ciclo.ciclo.

9. 9.4 Principales irreversibilidades9.4 Principales irreversibilidades
Turbina .Turbina . La principal irreversibilidad que experimenta elLa principal irreversibilidad que experimenta el
fluido de trabajo está asociada con la expansión en lafluido de trabajo está asociada con la expansión en la
turbina. El calor transferido al ambiente por la turbinaturbina. El calor transferido al ambiente por la turbina
representa una perdida, la expansión real a través derepresenta una perdida, la expansión real a través de
la turbina va acompañada de un incremento dela turbina va acompañada de un incremento de
entropía.entropía.
El rendimiento de la turbina relaciona el trabajo real conEl rendimiento de la turbina relaciona el trabajo real con
el trabajo isentrópico.el trabajo isentrópico.
s
T
hh
hh
21
21
−
−
=η

10. 9.4 Principales irreversibilidades9.4 Principales irreversibilidades
Bomba.Bomba. El trabajo requerido para la bomba, para vencerEl trabajo requerido para la bomba, para vencer
los efectos del rozamiento, también reduce el trabajolos efectos del rozamiento, también reduce el trabajo
neto producido por la planta.neto producido por la planta.
El rendimiento isentrópico de la bomba toma en cuentaEl rendimiento isentrópico de la bomba toma en cuenta
el efecto de las irreversibilidades dentro de la bombael efecto de las irreversibilidades dentro de la bomba
relacionando las cantidades de trabajo real erelacionando las cantidades de trabajo real e
isentrópico.isentrópico.
34
34
hh
hh S
B
−
−
=η

11. Diagrama temperatura-entropíaDiagrama temperatura-entropía
que muestra los efectos de lasque muestra los efectos de las
irreversibilidades en la turbina yirreversibilidades en la turbina y
bombabomba

12. 9.5 El ciclo con sobrecalentamiento9.5 El ciclo con sobrecalentamiento
El rendimiento del cicloEl rendimiento del ciclo
Rankine ideal se puedeRankine ideal se puede
aumentar utilizando unaaumentar utilizando una
zona dezona de
sobrecalentamiento. Estesobrecalentamiento. Este
proceso eleva laproceso eleva la
temperatura media a latemperatura media a la
que el ciclo recibe calor,que el ciclo recibe calor,
aumentandoaumentando
teóricamente elteóricamente el
rendimiento.rendimiento.

13. 9.5.1 El ciclo Rankine ideal con9.5.1 El ciclo Rankine ideal con
recalentamientorecalentamiento
Una segunda modificación que se empleaUna segunda modificación que se emplea
normalmente en centrales térmicas denormalmente en centrales térmicas de
vapor es el recalentamiento. Convapor es el recalentamiento. Con
recalentamiento una central térmicarecalentamiento una central térmica
puede beneficiarse del mayor rendimientopuede beneficiarse del mayor rendimiento
que resulta de una presión de calderaque resulta de una presión de caldera
mas alta y también evitar el vapor de bajomas alta y también evitar el vapor de bajo
título a la salida de la turbina.título a la salida de la turbina.

15. EjemploEjemplo
En un ciclo Rankine con sobrecalentamiento yEn un ciclo Rankine con sobrecalentamiento y
recalentamiento se utiliza vapor de agua comorecalentamiento se utiliza vapor de agua como
fluido de trabajo. El vapor entra en la primerafluido de trabajo. El vapor entra en la primera
etapa de la turbina a 8,0 MPa, 480 ºC y seetapa de la turbina a 8,0 MPa, 480 ºC y se
expande hasta 0,7 MPa. Este se recalientaexpande hasta 0,7 MPa. Este se recalienta
entonces hasta 440 ºC antes de entrar en laentonces hasta 440 ºC antes de entrar en la
segunda etapa de la Turbina, donde se expandesegunda etapa de la Turbina, donde se expande
hasta la presión del condensador de 0,008 MPa.hasta la presión del condensador de 0,008 MPa.
La potencia neta obtenida es 100 MW.La potencia neta obtenida es 100 MW.
Determinese:Determinese:
(a) El rendimiento térmico del ciclo.(a) El rendimiento térmico del ciclo.
(b) El flujo másico de vapor, en kg/h.(b) El flujo másico de vapor, en kg/h.
(c) El flujo de calor(c) El flujo de calor QsQs cedido por el vapor en elcedido por el vapor en el
condensador, en MW.condensador, en MW.

17. ConsideracionesConsideraciones
1.1. Cada componente del ciclo se analizaCada componente del ciclo se analiza
como un volumen de control en estadocomo un volumen de control en estado
estacionario.estacionario.
2.2. Todos los procesos del fluido de trabajoTodos los procesos del fluido de trabajo
son internamente reversibles.son internamente reversibles.
3.3. La turbina y la bomba operanLa turbina y la bomba operan
adiabáticamente.adiabáticamente.
4.4. El condensado sale del condensadorEl condensado sale del condensador
como líquido saturado.como líquido saturado.
5.5. Las energías cinética y potencial sonLas energías cinética y potencial son
despreciables.despreciables.

18. SOLUCIÓNSOLUCIÓN
DATOSDATOS
PP11 =8 Mpa=8 Mpa
TT11 = 480 º C= 480 º C
PP22 = 0.7 Mpa= 0.7 Mpa
TT22 = 440 ºC= 440 ºC
PP33 = 0,008 Mpa= 0,008 Mpa
Potencia = 100 MWPotencia = 100 MW
De tablas de vapor de agua.De tablas de vapor de agua.
hh11=3348,4 kJ/kg=3348,4 kJ/kg
SS11= 6,6586 kJ/kgºK= 6,6586 kJ/kgºK
SfSf22 = 1,9922 kJ/kgºK= 1,9922 kJ/kgºK
SgSg22 = 6,708 kJ/kgºK= 6,708 kJ/kgºK
hf = 697,22 kJ/kghf = 697,22 kJ/kg
hfg = 2066,3 kJ/kghfg = 2066,3 kJ/kg
hh33= 3353,3 kJ/kg= 3353,3 kJ/kg
SS33 = 7,7571 kJ/kgºK= 7,7571 kJ/kgºK

19. Formulación de ecuacionesFormulación de ecuaciones
RendimientoRendimiento
La potencia neta desarrolladaLa potencia neta desarrollada
PPnetaneta=m(W=m(Wnetoneto))
sum
neto
Q
W
=η

20. RespuestasRespuestas
Rendimiento =40,3 %Rendimiento =40,3 %
m = 2,363x10m = 2,363x1055
kg/hkg/h

21. CICLO DE POTENCIACICLO DE POTENCIA
REGENERATIVOREGENERATIVO
Vamos a considerar cómo puede realizarseVamos a considerar cómo puede realizarse
la regeneración utilizando unla regeneración utilizando un calentadorcalentador
abierto de agua de alimentaciónabierto de agua de alimentación, que, que
consiste en un intercambiador de calor deconsiste en un intercambiador de calor de
contacto directo en el cual las corrientes acontacto directo en el cual las corrientes a
diferentes temperaturas se mezclan paradiferentes temperaturas se mezclan para
dar una corriente a una temperaturadar una corriente a una temperatura
intermedia.intermedia.

22. Análisis del cicloAnálisis del ciclo
Un primer paso importante en el análisis del cicloUn primer paso importante en el análisis del ciclo
regenerativo es el cálculo de las relaciones entreregenerativo es el cálculo de las relaciones entre
flujos másicos en cada uno de los componentes.flujos másicos en cada uno de los componentes.
DondeDonde mm11 es el flujo másico que entra en la primeraes el flujo másico que entra en la primera
etapa de la turbina en el estado 1,etapa de la turbina en el estado 1, mm22 es el flujoes el flujo
másico extraído en el estado 2, ymásico extraído en el estado 2, y mm33 es el flujoes el flujo
másico que sale de la segunda etapa de lamásico que sale de la segunda etapa de la
turbina en el estado 3. Dividiendo por mturbina en el estado 3. Dividiendo por m11, queda:, queda:
1
1
3
1
2
=+
m
m
m
m




132 mmm  =+

23. y
m
m
−=1
1
3

masadeFracción
1
2
m
m
y


=

24. Análisis del cicloAnálisis del ciclo
La fracción (y) se puede determinar aplicando losLa fracción (y) se puede determinar aplicando los
principios de conservación de masa y energía alprincipios de conservación de masa y energía al
volumen de control que define el calentador devolumen de control que define el calentador de
agua de alimentación. Asumiendo que no hayagua de alimentación. Asumiendo que no hay
transferencia de calor entre el calentador y sutransferencia de calor entre el calentador y su
entorno e ignorando los efectos de energíaentorno e ignorando los efectos de energía
cinética y potencial. Tendremos.cinética y potencial. Tendremos.
52
56
hh
hh
y
−
−
=

25. El trabajo total de la turbina seEl trabajo total de la turbina se
expresa:expresa:
( ) ( )( )
( ) ( )( )
( )( )43
71
4567
3221
1
1
1
hhyQ
hhQ
hhyhhW
hhyhhW
s
entra
b
t
−−=
−=
−−+−=
−−+−=

26.  Ejemplo.-Consideremos un ciclo de PotenciaEjemplo.-Consideremos un ciclo de Potencia
regenerativo con un calentador abierto del agua deregenerativo con un calentador abierto del agua de
alimentación. El vapor de agua entra en la Turbina aalimentación. El vapor de agua entra en la Turbina a
8,0 MPa, a 480ºC y se expande hasta 0,7 MPa donde8,0 MPa, a 480ºC y se expande hasta 0,7 MPa donde
parte de este vapor es extraído y enviado al calentadorparte de este vapor es extraído y enviado al calentador
abierto del agua de alimentación que opera a 0,7 MPa.abierto del agua de alimentación que opera a 0,7 MPa.
El resto del vapor se expande en la segunda etapa deEl resto del vapor se expande en la segunda etapa de
la Turbina hasta la presión del condensador de 0,008la Turbina hasta la presión del condensador de 0,008
MPa. La salida del calentador es líquido saturado a 0,7MPa. La salida del calentador es líquido saturado a 0,7
MPa . La eficiencia isentrópica de cada etapa de laMPa . La eficiencia isentrópica de cada etapa de la
turbina es del 85 % Si la potencia neta del ciclo es 100turbina es del 85 % Si la potencia neta del ciclo es 100
MW, determinar: a) El rendimiento térmico, b) ElMW, determinar: a) El rendimiento térmico, b) El
flujo de masa de vapor que entra en la primera etapaflujo de masa de vapor que entra en la primera etapa
de la turbina, en kg/h.de la turbina, en kg/h.

28. SOLUCIÓNSOLUCIÓN
DATOSDATOS
PP11 =8 Mpa=8 Mpa
TT11 = 480 º C= 480 º C
PPliq-satliq-sat = 0.7 Mpa= 0.7 Mpa
PPcondcond = 0,008 Mpa= 0,008 Mpa
Potencia = 100 MWPotencia = 100 MW
a)a) ηη
b)b) Flujo de masaFlujo de masa
De tablas de vapor de agua.De tablas de vapor de agua.
hh11=3348,4 kJ/kg=3348,4 kJ/kg
hh22=2832,8 kJ/kg=2832,8 kJ/kg
SS11= 6,6586 kJ/kgºK= 6,6586 kJ/kgºK
S2=6,8606 kJ/kg ºKS2=6,8606 kJ/kg ºK
h3=h2-h3=h2-ηηTT(h2-h3s)(h2-h3s)
hh3s3s=2146,3 kJ/kg=2146,3 kJ/kg
hh33=2249,3 kJ/kg=2249,3 kJ/kg
hh44=173,88 kJ/kg=173,88 kJ/kg
hh55=h=h44+v+v44(p(p55-p-p44))
HH55=174,6 kJ/kg=174,6 kJ/kg

29. Aplicando los balances de masa y energía al volumen de control que contiene elAplicando los balances de masa y energía al volumen de control que contiene el
calentador.calentador.
1966,0
6,1748,2832
6,17422,697
52
56
=
−
−
=
−
−
=
hh
hh
y
( ) ( )( ) kJ/kg4,9841 3221 =−−+−= hhyhhWt
( ) ( )( ) kJ/kg7,81 4567 =−−+−= hhyhhWb
kJ/kg1,264371 =−= hhQentra
%9,36
369,0
=
=
−
=
η
η
sum
bT
Q
WW
kg/h10*69,3 5
=
−
=
bT
neto
WW
P
m

30. E N DE N D

31. ES DIOSES DIOS
 Que te habla a través del Espíritu,Que te habla a través del Espíritu,
 Que te escoge por medio de su hijo Jesucristo,Que te escoge por medio de su hijo Jesucristo,
 Que conoce los secretos que guardas en tu corazón,Que conoce los secretos que guardas en tu corazón,
 Que toma siempre nuestros problemas en sus manos yQue toma siempre nuestros problemas en sus manos y
nos ayuda a resolverlos.nos ayuda a resolverlos.
 Que está a tu lado y te acompaña con amor en elQue está a tu lado y te acompaña con amor en el
camino de tu vida,camino de tu vida,
 Que está al frente de todo,Que está al frente de todo,
Fue DIOS que toco mi corazón y me hizo acordar de Tí. NoFue DIOS que toco mi corazón y me hizo acordar de Tí. No
por ser una persona amigo (a) sino que eres importantepor ser una persona amigo (a) sino que eres importante
para Dios y para mi.para Dios y para mi.
DIOS TE AMA MUCHÍSIMO.DIOS TE AMA MUCHÍSIMO.