El ciclo Rankine

En mi última publicación conocimos a los pioneros que sentaron las bases modernas del ciclo de vapor.

Hoy vamos a profundizar un poco más en lo que sucede con el agua y el vapor en un ciclo Rankine.

Me pasé mucho tiempo esta mañana creando este gráfico del cual estoy muy orgulloso.

Lo llamo “la ilustración del ciclo Rankine de un entusiasta de las turbinas de vapor” o “el ciclo Rankine que pone celosos a los libros de texto de ingeniería”.

Vamos a dejar de lado las cortesías y sumergirnos directamente en el tema.

En mi último post dije literalmente:

El ciclo comienza con agua, se presuriza y luego se convierte en vapor. El vapor pasará por la turbina convirtiendo/transfiriendo energía al rotor y luego se condensará nuevamente en agua para que pueda comenzar el ciclo nuevamente. -yo

1: comienza con agua

Este magnífico ciclo comienza con agua.

No solo con agua común y corriente. Como la vamos a calentar y a hacer pasar por tuberías y elementos de metal, queremos asegurarnos de que esté limpia y no sea propensa a provocar corrosión o acumulaciones.

Todos hemos visto o experimentado esa desagradable acumulación de calcio en las duchas, lavaplatos y calentadores de agua. El agua corriente o potable puede contener una gran cantidad de minerales. La misma forma en que instalamos filtros o sistemas de ablandamiento de agua en nuestros hogares se aplica a las aplicaciones industriales, especialmente a las centrales eléctricas de vapor.

Se dedica mucho esfuerzo a mantener el agua de las turbinas de vapor tratada de la manera más perfecta. Algunos incluso podrían llamarla "la diva" de las aguas, y eso lo digo en el mejor sentido posible.

Por lo tanto, el agua que se utiliza en un ciclo de vapor se trata con las siguientes calidades:

1. Alta pureza y desmineralizada

   Necesitamos asegurarnos de que esta agua esté libre de contaminantes como cloruros y otros sólidos para evitar la corrosión.

   
   

   Debemos asegurarnos de que el agua esté libre de minerales disueltos, como el calcio, para evitar la formación de sarro y la acumulación de cal.

   
   

   Esto se hace mediante filtros de ósmosis inversa, como los que podemos instalar debajo del lavadero de la cocina. Otros métodos incluyen el intercambio iónico o la destilación.

   
   

2. Desaireado

   Debemos asegurarnos de que no haya aire ni otros gases (oxígeno, dióxido de carbono) atrapados en el agua. Estos pueden causar corrosión y disminuir la transferencia de calor óptima en la caldera.

   
   

3. Tratado químicamente

   Debemos mantener un delicado equilibrio de pH dentro del ciclo de vapor para evitar la corrosión de equipos y tuberías.

   
   

Así que , volviendo al ciclo, empezamos con agua. Esta agua necesita presurizarse a medida que avanzamos de los pasos 1 a 2.

¡Para los ingenieros, W significa trabajo!

Otra cosa interesante sobre los ingenieros es que un punto sobre una letra significa “¡tasa de transferencia!”

Dato nerd : esto también se correlaciona con cómo definimos una derivada del tiempo en cálculo (¡mi materia favorita en la escuela!).

Entonces, el punto sobre la W significa “tasa de trabajo realizado”, lo que representa el hecho de que estamos introduciendo trabajo en el agua al aumentar su presión.

En el ciclo Rankine, este es el único momento en el que agregamos trabajo; este es el único lugar donde aumentamos la presión del fluido en el sistema.

Para mí, esto es importante porque, como soy un entusiasta de las turbinas y siempre estoy rodeado de otros entusiastas de las turbinas, parece que toda la atención se centra en la turbina. Pero debemos reconocer la importancia y el trabajo que realiza la bomba de agua de alimentación de la caldera.

A la bomba, el héroe silencioso del ciclo, que aumenta la presión del agua en un rango de 1:20 a 1:200 o incluso más… ¡te damos gracias, totales!

En este paso, tomamos agua en estado líquido y la presurizamos a la misma presión de trabajo que esperaremos que alcance el vapor cuando lo inyectemos en la turbina.

2: la caldera

Ahora tenemos agua limpia, desmineralizada y a alta presión y la vamos a convertir en vapor.

Las calderas modernas son maravillas de la ingeniería por sí mismas. En mi diagrama la estoy simplificando al ilustrarla como un rectángulo, donde quemamos combustible para hacer fuego y calentamos el agua que pasa por un serpentín.

En la caldera convertiremos el agua en vapor.

El objetivo es conseguir que se convierta en vapor puro, sin contenido de agua.

¡A esto se le llama vapor seco! Puede resultar difícil de visualizar, ya que sabemos que, después de todo, el vapor está hecho de agua. ¿Cómo puede ser seco?

Por ejemplo, cuando hacemos café o té, vemos una pequeña columna de vapor que sale de la tetera. Se trata de vapor húmedo, y las nubes que vemos elevarse de nuestras tazas de té son pequeñas gotas de agua.

Ahora, imaginemos que calentamos esa nube de vapor aún más hasta que desaparezcan todas las gotitas, ¡convirtiéndola básicamente en gas! ¡ESO es lo que queremos que pase por nuestra turbina de vapor!

Este es el vapor que tiene más energía almacenada. Recuerde, el calor latente de vaporización del agua le permite almacenar toneladas de energía en su vapor.

Para los ingenieros ¡Q significa calor!

(Internet no conoce el origen exacto de esto, pero sabemos con certeza que la letra H ya fue tomada por el hombre que inventó el concepto de entalpía. También debemos considerar que algunos de estos descubrimientos y definiciones son muy antiguos y se hicieron en otros idiomas, no en inglés o español).

Esa Q y la flecha que apunta a la caldera significan que aquí es donde AGREGAMOS energía al ciclo.

Para calentar el agua necesitamos una fuente de calor: puede ser madera (biomasa), carbón, gas natural o calor de otra cosa (como una turbina de gas).

El hecho es que necesitamos energía para calentar el agua. Este es el único paso del ciclo en el que agregamos energía al sistema.

3: Vapor seco sobrecalentado / supercalentado

Los ingenieros a menudo usan la palabra súper o sobre para enfatizar que algo está por encima y más allá de los niveles estándar o esperados.

Por ejemplo, supersónico, superconductor, superaleación, sobrecalentado.

A la salida de la caldera tenemos el mejor vapor, el más energético, que podemos conseguir.

¡Ahora finalmente estamos listos para ingresar a la turbina!

Antes de que el vapor pueda entrar en la turbina, debe pasar por algunas compuertas o válvulas.

La primera válvula se llama “válvula de cierre”. El propósito de esta válvula es, en caso de emergencia, cerrarse lo más rápido posible para interrumpir el flujo de vapor.

Estas válvulas están construidas con resortes enormes, de modo que fallan al cerrarse, como una trampa para ratones gigante; siempre se cierran cuando es necesario.

La siguiente válvula es la válvula de admisión. En realidad, se trata de un sistema o conjunto de válvulas que ayudan a “regular” la cantidad de vapor que entra en la turbina, de la misma forma que ponemos el pie en el acelerador de nuestro coche, y eso a su vez abre una pequeña válvula que permite que entre más combustible en nuestro motor.

Las válvulas de admisión regulan la entrada y el caudal del vapor que hará el trabajo de convertir la energía del vapor en energía mecánica.

Una vez que el vapor finalmente logra ingresar al área de trabajo, viaja a través de una boquilla. La boquilla es básicamente como el cabezal de la ducha. Ayuda a acelerar el vapor, porque viaja a través de una boquilla. También dirige el vapor hacia las aspas giratorias. Cuando el vapor pasa a través de un conjunto de aspas giratorias, golpea las aspas aerodinámicas de las aspas, y aquí es donde ocurre la transferencia mágica de energía. El vapor cambia de dirección y las aspas del rotor empujan el rotor y lo hacen girar.

En mi próxima publicación profundizaremos más en cómo sucede esto. Por ahora, mantengámonos en este nivel para poder continuar con el ciclo.

Cada vez que el vapor pasa por una boquilla, un conjunto de aspas fijas o una aspa giratoria, su presión disminuirá y el vapor comenzará a expandirse. A medida que se extrae la energía, el vapor comenzará a condensarse y a enfriarse.

Una vez que hemos extraído la mayor cantidad de energía posible del vapor, está listo para dejarlo salir de la turbina.

No queremos que el vapor se condense dentro de la turbina, de modo que se forme demasiada humedad o gotitas de agua.

El agua en una turbina de vapor puede causar muchos daños en forma de erosión o corte por vapor.

Dentro de la turbina de vapor, el rotor y las palas se mueven rápido, por lo que si golpean gotas de agua, pueden erosionar el metal, al igual que podemos dañar la pintura de nuestro coche o cortar cosas si nos dejamos llevar con una hidrolavadora.

4: vapor húmedo

Ya hemos salido de la turbina de vapor. El vapor que sale de la turbina es una mezcla de agua y gas.

Antes de que podamos hacer algo con esta mezcla, debemos condensarla nuevamente en agua para que el ciclo pueda comenzar de nuevo.

La mejor manera de condensar el vapor es enfriándolo en un dispositivo llamado condensador.

Básicamente, se trata de un gran enfriador, donde hacemos pasar agua fría por unas tuberías dentro de un gran tanque, de modo que el vapor se vuelve a condensar en agua, de la misma manera que un vaso de agua fría forma gotitas en su superficie exterior.

Y voilá, hemos hecho un viaje completo de ida y vuelta a través del ciclo Rankine o de vapor.

+++++++++++++++

“¡Momentito!”, podrían decir. “¡Nosotros agregamos trabajo! ¡Agregamos calor! ¡Para que salga trabajo! ¡Y luego quitamos calor!”.

¿Tiene sentido? ¿Ponemos mucho esfuerzo y energía para poder obtener energía y esfuerzo?

Bueno, ese es el principio fundamental de la termodinámica. Se trata de la conversión de energía.

Lamentablemente, nada es gratis. Recuerden que todo este proceso se debe a que necesitamos máquinas que puedan producir energía o que hagan el trabajo por nosotros.

Si no usáramos máquinas, deberíamos hacer el trabajo a mano o con animales o molinos de viento.

Los principios termodinámicos detrás del ciclo Rankine y el hecho de que el agua tiene esa capacidad de almacenar energía nos permiten obtener más energía útil del sistema que la que tenemos que introducir.

En términos simples, la relación entre el trabajo y la energía que agregamos en el ciclo de vapor y el trabajo que obtenemos se llama… ¡SÍ, lo adivinaste, eficiencia!

A pesar de nuestros mejores esfuerzos, el ciclo de vapor tiene una eficiencia de alrededor del 50%. Esto significa que la mitad de la energía que somos capaces de producir va a la bomba de agua y se pierde en ineficiencias. ¡Ineficiencias por todas partes!

Los ingenieros somos buenas personas, créanme, pero no somos capaces de crear máquinas “ideales” o “perfectas” que no tengan pérdidas. Debemos seguir esforzándonos, mejorando, mejorando siempre.