El ciclo de Rankine: la central de vapor
La mayor parte de la electricidad del mundo sale de un solo lazo de agua que se vuelve vapor y regresa. El ciclo de Rankine pasa el agua por cuatro partes -- caldera, turbina, condensador, bomba -- y el cambio de fase es el truco que lo hace eficiente.
Arrastra la fase para seguir el agua por el anillo. La caldera añade calor, la turbina hace trabajo, el condensador cede calor y la bomba devuelve el líquido. Ya venga el calor de quemar carbón, de un reactor nuclear o de la luz solar concentrada, solo cambia la fuente; este lazo de agua en sí queda casi igual.
En el plano T-s el ciclo se pega a la cúpula de saturación. En un diagrama T-s el calor intercambiado en cada paso es el área bajo su trayectoria, así que la franja que encierra el lazo cerrado es el calor neto absorbido, que en un ciclo equivale al trabajo neto. Arrastra la temperatura de la caldera; el lazo crece, y el área que encierra -- el trabajo neto -- crece con él.
El trabajo neto es el de la turbina menos el de la bomba. Como la bomba solo aprieta líquido, su trabajo es ínfimo, así que se conserva casi toda la salida de la turbina. Como un líquido es casi incompresible, empujar el agua a alta presión apenas reduce su volumen y cuesta casi nada, mientras que comprimir un gas en su lugar se comería una gran parte de la salida de la turbina. Arrastra la presión de la caldera.
Llevar el vapor por encima de la cúpula -- sobrecalentar -- sube la temperatura media a la que entra el calor, mejorando la eficiencia, y deja más seca la salida de la turbina. Una salida húmeda deja que las gotas de agua golpeen y erosionen los álabes de la turbina que giran a gran velocidad, así que mantener el vapor seco evita este desgaste y alarga la vida de los álabes. Alterna saturado y sobrecalentado.
Tres ideas: cuatro partes, η = WnetQH, y se elige agua porque su cambio de fase intercambia calor casi a temperatura constante por un coste de bombeo casi nulo. A continuación, ciclos de gas sin cambio de fase: Otto y Diesel. Una central de vapor moderna convierte cerca del 40% de su calor en electricidad, y combinarla con una turbina de gas en una central de ciclo combinado lo eleva por encima del 60%.