UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁ
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
Laboratorio de termodinámica II
Lab. #5, Estudio Paramétrico del ciclo rankine
Fecha de entrega: 22-10-2020
Nombres:
Kevin Pineda 8-943-2317
Adrián Peña 8-955-41
Instructor:
Guillermo López
Grupo:
1NI131 (A)
Marco Teórico:
El ciclo Rankine es un ciclo que opera con vapor, y es el que se utiliza en las centrales
termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión
del vapor. Éste será llevado a una turbina donde produce energía cinética a costa de perder
presión. Su camino continúa al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor
pasa a estado líquido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente
poder introducirlo a la caldera.
Proceso 3-4: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de
la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera
potencia en el eje de la misma.
Proceso 4-1: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el
circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido
saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de
carga.
Proceso 1-2: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una
bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo
hasta el valor de presión en caldera.
Proceso 2-3: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera.
En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de
saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor
sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presión es el utilizado por la turbina para
generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la
consumida por la bomba, pero esta suele ser muy pequeña en comparación y suele
despreciarse).
La eficiencia térmica de este ciclo se calcula de igual manera que en el ciclo de Carnot:
𝑛𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑜 = 1 −
𝑄𝐿
𝑄𝐻
Aunque jamás se alcanzan valores tan elevados. Para mejorar en lo posible el
aprovechamiento del combustible quemado se somete al fluido a una serie de procesos que
tienen como objeto aumentar el área encerrada por el diagrama. Entre éstos destacan los
siguientes:



Disminución de la presión en el condensador
Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas
Incremento de la presión de la caldera (incremento de T alta, prom)
Resultados
Ilustración 1 Ciclo rankine ideal
Ilustración 2 resultados obtenidos a partir del barrido de propiedades manteniendo T constante en el estado 3
Ilustración 3 diagrama t vs s luego de hacer el aumento de presion en la caldera
Análisis:
1. ¿Cuál es efecto de reducir la presión en el condensador en el ciclo Rankine?
Reducir la temperatura del condensador hace que la eficiencia del sistema aumente, ya que el trabajo
neto será más grande, cabe recalcar también que hacer esto implica que la temperatura de salida sea
menor que la temperatura de entrada esta también es una de la razón por la cual la eficiencia aumenta,
aunque realizar esto implica que habrá más humedad en las fases finales del ciclo y esto puede causar
grandes daños.
Kevin Pineda 8-943-2317
Al disminuir la presión del condensador la temperatura del mismo también disminuirá, además la
eficiencia máxima del ciclo también aumentará. Sobre el trabajo neto producido y el calor neto estos
irán en aumento a medida que se reduzca la presión y por ende la eficiencia del ciclo en general
también aumentara.
Adrian Peña 8-955-41
2. ¿Cuáles es el efecto de aumentar la presión en la caldera en el ciclo Rankine?
Aumentar la presión en la caldera incrementa la temperatura promedio durante la adición de calor al
proceso esto ocasiona que la temperatura a la que ocurre la ebullición se eleve, esto a su vez genera
un aumento de la temperatura promedio a la cual se transfiere calor al vapor y de ese modo incrementa
la eficiencia térmica del ciclo, el trabajo neto también aumenta producto de la elevación de esta
presión, el detalle está en que esta presión no puede incrementar demasiado puesto que hacer esto
ocasionaría que la presencia de humedad del vapor a la salida de la turbina aumente drásticamente
generando grandes daños a la misma.
Kevin Pineda 8-943-2317
Al aumentar la presión de la caldera la temperatura también aumenta y esto a su vez logra que la
eficiencia del ciclo aumente también. Por otro lado, llegado a un punto el trabajo neto producido
empezara a decrecer. Como se puede apreciar en la gráfica de presión de la caldera vs trabajo neto
producido
Adrián Peña 8-955-41
3. ¿Cómo varia la producción neta de trabajo, y la eficiencia térmica de un ciclo ideal Rankine con
la variación de la presión en la caldera?
Tabla 1 variacion del trabajo y eficiencia al aumentar la temperatura en la caldera.
La producción de trabajo neto aumentará llegará a un punto crítico y luego disminuirá, de igual
forma la eficiencia, esto ocurre por aumento de la temperatura promedio a la cual se transfiere el
calor al vapor.
Kevin Pineda 8-943-2317
Al aumentar la presión aumentan también el trabajo y le eficiencia del ciclo como se puede observar
en la tabla 1.
Adrián Peña 8-955-41
4. Grafique la producción neta de trabajo, y la eficiencia del ciclo Rankine en función de la presión
en la caldera.
Ilustración 4 graficas obtenidas
Como se aprecia la eficiencia del ciclo va en aumento entre más alta sea la presión mayor eficiencia,
pero con el trabajo neto ocurre que este aumentara hasta cierto punto luego superara un punto crítico
y comenzara a descender
Kevin Pineda 8-943-2317
La eficiencia va en ascenso junto con la presión mientras que el trabajo neto llega a un límite
para luego decrecer.
Adrián Peña 8-955-41
Conclusiones
Mediante esta experiencia de laboratorio logre comprender mejor el funcionamiento del ciclo rankine
ideal y de cómo la eficiencia de este puede mejorarse aplicándole ciertas operaciones, en esta
experiencia el proceso de mejoramiento consistía en aumentar la presión a la entrada de la turbina en
realizar esto en efecto aumento la eficiencia del ciclo debido a que la temperatura a la cual se añade
el calor crece, pero esto ocasiona que la presencia de humedad a la salida de la turbina sea más grande.
(Kevin Pineda 8-943-2317)
1) La presión y la temperatura de este ciclo dependerán la una de la otra por ende al aumentar
la presión de en un punto la temperatura de este también aumentara y viceversa.
2) Al cambiar la presión en alguno de los dispositivos liberadores o receptores de calor la eficiencia
del ciclo se vera afectada siendo que, al aumentar la presión en la caldera la eficiencia del ciclo
aumentara, y al disminuir la presión en el condensador la eficiencia también aumentara.
3) Al aumentar la presión el trabajo neto del ciclo se incrementará, sin embargo, al sobrepasar
la presión critica la producción neta de trabajo disminuirá.
Adrián Peña 8-955-41
Bibliografia:
[1] Çengel, Yunus; Boles, Michael, “Termodinámica”, 7ma Edición, Editorial Mc- Graw Hill, 2012.
[2] Termograf.( Version 5.7),[available].obtenido de
http://termograf.unizar.es/descargas/termograf.htm