P3_SCET-G13_SNA (1) - Axel

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Universidad Nacional Autónoma de México 
 
Facultad de Ingeniería 
 
 
Sistemas de Conversión de Energía Térmica 
 
 
 
Práctica 3: Ciclo Rankine. 
 
 
Fecha de realización: 21/09/2021 
 
Grupo: 13 Semestre 2022-1 
 
 
Alumno: Sánchez Nazario Axel 
 
 
 
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Objetivo 
• Conocer y describir el ciclo Rankine, incluyendo los equipos que forman este 
ciclo, los procesos termodinámicos, su diagrama T-s y la eficiencia del ciclo. 
 
Conceptos 
 Ciclos termodinámicos 
Los ciclos termodinámicos se utilizan describir la conversión de energía térmica en 
energía mecánica y viceversa. En estos ciclos, un fluido atraviesa periódicamente 
diferentes cambios de estado (compresión y expansión, evaporación y 
condensación o calentamiento y enfriamiento). En los ciclos, el fluido vuelve a 
alcanzar el estado inicial después de pasar por los diferentes cambios de estado y 
se puede volver a utilizar. 
 
 Ciclo Carnot 
Es un ciclo termodinámico que se lleva a cabo en un equipo que absorbe energía 
térmica desde una fuente de alta (fuente con una mayor temperatura) y otorga 
energía térmica a una fuente de baja (fuente con menor temperatura). Todo este 
flujo de energía tiene como objetivo producir un trabajo sobre el exterior. 
 
 
• AB: expansión isoterma 
 
• BC: expansión adiabática 
 
• CD: compresión isoterma 
 
• DA: compresión adiabática. 
 
 
 
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 Ciclo Rankine 
El ciclo Carnot presenta ineficiencias, por lo que el ciclo Rankine es una 
modificación/mejora del ciclo Carnot. Sirve de base para el funcionamiento de las 
centrales térmicas, las cuales son productoras de la mayor parte de la energía 
eléctrica que se consume en el mundo. 
 
• Proceso 1–2: implica un proceso 
isentrópico, ya que el fluido de trabajo se 
bombea de baja a alta presión y la bomba 
requiere poca energía de entrada. 
• Proceso 2–3: es un proceso isobárico, en el 
líquido de alta presión ingresa a una caldera, 
donde se calienta a presión constante 
mediante 
• Proceso 3–4: El vapor se expande a través 
de una turbina de vapor, generando energía. 
Aquí se habla de un proceso isentrópico. 
• Proceso 4–1: el vapor húmedo se condensa a una presión constante para 
convertirse en un líquido saturado. Es un proceso isobárico. 
 
El ciclo Rankine también presenta ineficiencias, las cuales tienen las siguientes 
mejoras: 
• Ciclo Rankine con recalentamiento 
• Ciclo Rankine con regeneración 
• Ciclo Rankine con regeneración y recalentamiento 
• Ciclo Rankine supercrítico 
 
 Eficiencia térmica 
Es la relación entre la energía que se desea obtener del ciclo (trabajo realizado) y 
la energía consumida en su funcionamiento (energía suministrada). 
 
 
 
 
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Desarrollo 
1. Con los siguientes datos: 
presión salida de caldera (manométrica): 7.23 [bar] 
calidad: 98 % 
presión salida de válvula de control (manométrica): 2.23 [bar] 
presión salida de turbina: 51 [cm hg] vacuométrica 
temperatura 48 [°C] 
presión condensador: 51 [cm hg de vacío] 
temperatura pozo caliente: 40 [°C] 
presión tanque de almacenamiento: 0.77 [bar] (p atmosférica local) 
temperatura tanque de almacenamiento: 23 [°C] 
diferencia de potencial en el alternador: 127 [V], corriente: 58 [A] 
gasto de vapor: 1 [kg/s] 
 
▪ Diagramas p-v, t-s y físico del ciclo Rankine simple: 
Diagrama físico del ciclo: 
 
 
 
 
 
 
 
Los diagramas T-s y Pv se obtuvieron con ayuda del programa Termograf. Cada 
punto tiene un número correspondiente del proceso (en la tabla de entalpias se 
encuentran los procesos calculados) 
 
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Diagrama P-v 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Diagrama T-s 
 
 
 
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▪ Cálculo de cada una de las entalpias a la salida de los equipos 
Por medio del programa CATT3 se obtuvieron las entalpias: 
 
1) Entalpia salida caldera 
2) Entalpia salida válvula de control 
3) Entalpia salida turbina 
4) Entalpia salida condensador 
5) Entalpia Tanque almacenamiento 
6) Entalpia salida bomba 
 
 
▪ Cálculo de la eficiencia interna de la turbina 
𝐸𝑓 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 =
(𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑣á𝑙𝑣𝑢𝑙𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙 – 𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎)
(𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑣á𝑙𝑣𝑢𝑙𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙 – 𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎)
 
=
(2728 − 2589)
𝑘𝐽
𝐾𝑔 𝐾
(2728 − 2206)
𝑘𝐽
𝐾𝑔 𝐾
 = 
139
522
= 0.2663 = 26.63% 
 
▪ Cálculo de la eficiencia de ciclo 
𝐸𝑓 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 
(𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 − 𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎)
(𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑎 − 𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑎𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜)
 
 
7 
=
(2728 − 2589)
𝑘𝐽
𝐾𝑔 𝐾
(2728 − 96.57)
𝑘𝐽
𝐾𝑔 𝐾
 = 
139
2631.43
= 0.0528 = 5.28 % 
 
▪ Cálculo de la eficiencia mecánica 
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 ∗ 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 
= 127 [V] ∗ 58 [A] = 7.366 [𝑘𝑊] 
 
Conclusiones 
Los objetivos de la práctica fueron cumplidos. Se conocieron y se describieron 
durante la presentación del tema los elementos básicos del ciclo Rankine: bomba, 
caldera, turbina y condensador. Esto llevó a que se conocieran los parámetros para 
que se puedan medir el sistema propuesto del laboratorio. Se utilizaron programas 
como CATT3, el cual nos ayudó a calcular de manera rápida las entalpias, o como 
Termograf que nos facilitó ver las gráficas T-s y P-v del ciclo. 
 
Referencias: 
• Salazar-Pereyra, M., Lugo-Leyte, R., Zamora-Mata, J., Ruiz-Ramírez, O., & 
González-Oropeza, R. (2011). Análisis termodinámico de los ciclos rankine 
supercríticos y subcríticos. In Memorias del Congreso Iberoamericano de 
Ingeniería Mecánica, Oporto, Portugal. 
• Cengel, Y. A., Boles, M. A., Campos Olguín, V., & Colli Serrano, M. T. (2003). 
Termodinámica. 
• Junta de Andalucia. (2021). Ciclo Rankine. Juntadeandalucia.es. Retrieved 
Sep 25, 2021, from http://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-
tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/44/html/rankine.html 
 
http://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/44/html/rankine.html
http://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/44/html/rankine.html