Scientia et Technica Año XXVIII, Vol. 30, No. 02, abril-junio de 2025. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701 y ISSN-e: 2344-7214
89
Abstract— In the present study, a comprehensive analysis is
carried out on an ideal regenerative Rankine cycle, based on the
use of ICT tools for digital transformation in engineering
education. The gap addressed in this work relates to the
application of technologies to streamline the thermodynamic
analysis of complex cycles, which have been rigorously modeled
using the Engineering Equation Solver (E.E.S.) software a high-
fidelity computational tool widely recognized for its accuracy in
solving nonlinear, multivariable thermodynamic systems. The
methodological approach adopted involves a detailed evaluation of
the isentropic efficiencies of the main cycle components turbines,
pump, and heat exchangers enabling a precise determination of
the net power output, the rates of thermal energy transfer to and
from the heat exchangers, as well as the quantification of the mass
flow rates of extracted steam at specific points in the system for
regenerative purposes. Additionally, the computational generation
of temperature–entropy (T–s) diagrams is integrated, which serve
as fundamental tools for the visualization and validation of the
thermodynamic processes involved, allowing for the clear
identification of each state in the cycle. Based on this graphical
representation and the numerical results derived from the model,
key thermodynamic properties are determined, such as specific
volume at pump suction, entropy at turbine inlet, and enthalpies
associated with each energy transformation, in order to
quantitatively establish the isentropic efficiency of the devices and
their influence on the overall efficiency of the regenerative cycle.
This approach enables not only a comprehensive understanding of
system behavior but also the identification of improvement
opportunities for the energy optimization of advanced
thermoelectric cycles.
Index Terms— Isentropic, efficiency, Rankine cycle,
regeneration, reheating, turbina.
This research article was submitted for review on January 31, 2025, accepted
on July 7, 2025, and published on June 30, 2025. It was funded under the CIP
project of advanced systems applied to thermodynamic models of the
Autonomous University Corporation of Nariño, the Mariana University of
Colombia, and the CEDMATEC research group. The study was carried out as
a preliminary chapter for the doctoral book on wind energy by PhD Candidate
Favio Nicolas Rosero and aims to analyze the energy sources that can be applied
in the department of Nariño, exploring the wind and geothermal energy capacity
of the department of Nariño, based on the energy study of Professor Diego
Alejandro Narváez (dienarvaez125@umariana.edu.co,
diego.narvaez@aunar.edu.co ).
Resumen— En el presente estudio se desarrolla un análisis
exhaustivo de un ciclo Rankine regenerativo ideal basado en el uso
de herramientas TIC para la transformación digital en la
enseñanza de la ingeniería, la brecha que se pretende abordar se
enmarca en el uso de las tecnologías para agilizar los análisis
termodinámicos de ciclos complejos, los cuales han sido
rigurosamente modelado mediante el uso del software Engineering
Equation Solver (E.E.S.), una herramienta computacional de alta
fidelidad ampliamente reconocida por su precisión en la resolución
de sistemas termodinámicos no lineales y multivariable. El
enfoque metodológico adoptado contempla la evaluación
minuciosa de las eficiencias isoentrópicas de los principales
componentes del ciclo, turbinas, bomba e intercambiadores de
calor, lo cual permite una determinación precisa de la potencia
neta generada, las tasas de transferencia de energía térmica hacia
y desde los intercambiadores, así como la cuantificación de los
flujos másicos de vapor extraído en puntos específicos del sistema
para efectos regenerativos. Asimismo, se integra la generación
computacional de diagramas temperatura –entropía (T–s), los
cuales constituyen herramientas fundamentales para la
visualización y validación de los procesos termodinámicos
involucrados, permitiendo la identificación clara de cada uno de
los estados del ciclo. A partir de esta representación gráfica y de
los resultados numéricos derivados del modelo, se determinan
propiedades termodinámicas clave.
Índice de términos— Isentrópico, eficiencia, ciclo de Rankine,
regeneración, recalentamiento, turbina.
I. INTRODUCCIÓN
E
L ciclo Rankine ideal con recalentamiento y
regeneración, es un proceso utilizado en centrales
eléctricas de vapor que se logra por la extracción del
vapor o también denominado drenaje del mismo de la turbina
de alta presión, el vapor extraído en la región de vapor
sobrecalentado que en el ciclo Rankine ideal simple no produce
trabajo, se pasa nuevamente por la caldera para elevar su
temperatura bajo la misma línea de presión de extracción,
incrementando la entropía del vapor realizando una expansión
isoentrópica hasta la salida de la turbina de baja presión.
Es importante recalcar que existen algunas
recomendaciones para incrementar la eficiencia isoentrópica
además de algunas limitaciones en el estudio de variables
Model of an ideal Rankine cycle with reheating in
E.E.S.
Modelamiento de un ciclo Rankine ideal con recalentamiento en
E.E.S.
D. A. Narváez-Meza.
DOI: https://doi.org/10.22517/23447214.25773
Scientific and technological research paper
Scientia et Technica Año XXVIII, Vol. 29, No. 01, enero-marzo de 2024. Universidad Tecnológica de Pereira
90
termodinámicas que se pueden abordar aplicando herramientas
de transformación digital.
La propuesta del presenta artículo se basa en el objetivo
general el cual pretende aplicar las herramientas TIC del curso
CIP de sistemas avanzados aplicados a modelos
termodinámicos basados en el software EES como lo propone
Fernández, et al (2020) en su investigación sobre TIC aplicadas
en la enseñanza de la ingeniería mecánica [1], como
herramienta computacional para el análisis de diferentes ciclos
termodinámicos como los ciclos de vapor, ciclos de
refrigeración y la posibilidad de la exploración de energía
geotérmica en el volcán Cumbal en fuentes hiper entálpicas,
además del análisis de ciclos de refrigeración en general.
II. METODOLOGÍA APLICADA
Desde una perspectiva metodológica de tipo exploratoria, este
estudio parte de la necesidad de indagar cómo la
implementación del software Engineering Equation Solver
(E.E.S.) puede facilitar la comprensión y resolución de ciclos
de vapor Rankine con recalentamiento en el contexto de la
formación en ingeniería generando en los estudiantes
competencias tecnológicas dentro de la mecánica aplicada, en
el análisis termodinámico aplicado a la docencia, se plantea
como hipótesis exploratoria que el uso del E.E.S como se
evidencia en los estudios de Medina et al. (2024) el cual permite
un análisis detallado y una comprensión más profunda de los
temas tratados acorde a la literatura actual, la interpretación
teórica, el enfoque pedagógico y un análisis de elementos
previos de hipótesis planteada [2], permite no solo modelar con
mayor precisión los procesos involucrados en un ciclo Rankine
con recalentamiento, sino también fomentar en los estudiantes
una comprensión más profunda de las relaciones entre
eficiencia, condiciones de operación y transformaciones
energéticas clave.
III. MARCO TEÓRICO.
A) Aprendizaje basado en herramientas tecnológicas
Acorde a los estudios previos sobre herramientas
tecnológicas aplicadas a la educación, se propone una estrategia
que le permita al estudiante desarrollar habilidades tecnológicas
dentro de la mecánica computacional, propendiendo por la
calidad en el ejercicio docente, estas herramientas tecnológicas
permiten la reducción de brechas generando en el docente
didácticas en el aula que permitan una apropiación del
conocimiento mediado por las TIC, es asi que Mosquera (2021)
en su estudio denominado “Factores asociados al uso de
tecnologías de la información y la comunicación (TIC) en los
procesos de aprendizaje de estudiantes de ingeniería”, en el cual
se evidencia la importancia del uso de las TIC en estudiantes
universitarios cuyas experiencias son significativas mejorando
el perfil del egresado, mejorando las competencias digitales
transversales bajo los constructos del modelo propuesto [3]. Por
este motivo es importante entender que el uso de herramientas
tecnológicas además de desarrollar habilidades digitales, reduce
las brechas educativas en el contexto regional, el aprendizaje
mediado por soluciones tecnológicas especializadas contribuye
a los procesos de cualificación profesional, pues esta se orienta
a mejorar las dinámicas sociales y educativas del entorno.
B). Métodos de Reducción de presión en el sumidero:
El fluido de trabajo existe dentro del sumidero como un vapor
húmedo a la temperatura de saturación de la salida de la turbina
de baja presión, la reducción de la presión de operación del
condensador disminuye la temperatura del vapor, la reducción
de la presión incrementa la eficiencia del ciclo Rankine como
se puede observar en la figura. Según Hernández,
Zumalacárregui & Pérez (2020) permite disminuir en mayor
medida la presión de trabajo en el condensador lo que permite
incrementar la eficiencia térmica del ciclo Rankine, tal como se
puede apreciar en la Fig. 1. Del diagrama T vs s del ciclo [4].
Fig. 1. Reducción de presión del sumidero, fuente: Esta
investigación, parametrización en E.E.S.
El proceso de expansión de un gas, representa un proceso
adiabático reversible también denominado isoentrópico, para
los parámetros establecidos la entropía del sistema es de
6,67
.
, de acuerdo a los parámetros establecidos en el software
E.E.S como se observa en los resultados de la Fig. 2.
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Fig. 2. Entropía específica calculada mediante EES pasados en
las presiones 15000 kPa, 3000 kPa y 10 kPa. Fuente: Esta
investigación, parametrización en E.E.S.
Basados en los procesos de entropía constante se realiza el
análisis isoentrópico de la turbina teniendo en cuenta que el
cálculo se realiza desde el punto de vista ideal, donde no se tiene
en cuenta las irreversibilidades de un proceso.
C). Recalentamiento del vapor de extracción:
Después de la extracción de vapor de la turbina de alta presión
pasa nuevamente por la caldera, incrementando la temperatura
del fluido de trabajo, la presión se mantiene constante desde la
extracción del vapor sobrecalentado, hasta el ingreso a la
turbina de baja presión, el vapor se calienta nuevamente
generando expansión en la misma incrementando la potencia
producida por la turbina, como se muestra en la siguiente
ecuación de balance de energías y su desarrollo. De acuerdo a
lo planteado por Vásquez & Carbajal (2020) se evidencia
resultados satisfactorios con respecto a la influencia en el
incremento de temperatura a las entradas de la turbina, es por
esta razón que aplicando un recalentamiento se aprovecha la
energía del fluido para incrementar la salida de potencia neta de
la turbina e incrementar la eficiencia térmica del ciclo [5]. El
balance de energías de primera ley tal como se puede apreciar
en (1) acorde al texto Çengel & Boles (2021) donde se
evidencia las variaciones de energía de un sistema [6].
=
(1)
Donde:
=
=
=
Los cambios de energía del sistema se presentan
cuando el régimen estudiado es transitorio; sin embargo, dentro
de las consideraciones las propiedades tanto a la entrada como
a la salida se mantienen constantes, de esta manera se determina
el régimen estacionario de los equipos, las energías presentes se
reemplazan en (1) acorde a las formas de entrada y salida de las
mismas y las variaciones del sistema.
+
+
+
+
=
Donde:
.
=
=
=
=
Reemplazando el análisis de primera ley (1) para cada uno de
los estados
.
(
2
)
+
.
(
4
)
=
Donde
.
=
[
]
1,
2,
3
4
=
[
]
Con el recalentamiento se incrementa la eficiencia
neta de la turbina, el vapor recalentado se utiliza para producir
potencia en la segunda etapa de la turbina de alta presión como
se muestra en la figura 4, de esta manera se aumenta la potencia
total de la turbina sumando la primera etapa de alta presión y la
segunda etapa de baja presión aprovechando la alta entalpia de
la extracción y pasando este vapor nuevamente por la caldera.
El análisis del Ciclo Rankine con recalentamiento en el
programa EES (Engineering Equation Solver) representa una
herramienta fundamental en la enseñanza de la Termodinámica,
ya que permite a los estudiantes modelar sistemas térmicos
reales con mayor precisión y comprender el impacto de los
diferentes componentes del ciclo sobre su eficiencia.
Este tipo de ciclo, utilizado comúnmente en centrales
termoeléctricas, incorpora una etapa adicional de calentamiento
del vapor después de su expansión parcial, lo que contribuye a
mejorar la eficiencia térmica del sistema y a reducir la humedad
al final de la expansión en la turbina. Mediante el uso de EES,
los estudiantes pueden visualizar los cambios de estado del
fluido de trabajo en los diagramas T-s y h-s, calcular
propiedades termodinámicas con gran exactitud y realizar
balances de energía en cada componente.
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Además, el entorno de programación de EES fomenta el
pensamiento crítico y el análisis comparativo, ya que permite
modificar parámetros como presiones, temperaturas y niveles
de recalentamiento para observar su efecto directo sobre la
eficiencia del ciclo.
Esta experiencia práctica no solo fortalece el
aprendizaje conceptual de la Termodinámica, sino que también
prepara a los futuros ingenieros para enfrentar desafíos reales
en el diseño y optimización de sistemas energéticos. Los
valores de la presión de sumidero corresponden a 10 kPa a la
salida de la turbina en su segunda etapa de recalentamiento
como se puede evidenciar en la Fig. 3.
Fig. 3. Recalentamiento de los estados 3 y 4, Fuente: Yunes A.
Cengel Termodinámica, capítulo 10. Efecto que produce
incrementar la presión de la caldera en el ciclo Rankine ideal y
bajar la presión de sumidero línea roja punteada. Fuente: El
autor, ciclo programado en E.E.S.
D) Expansión isoentrópica de la turbina de alta presión.
Mediante la presión de la turbina de alta al ingreso del fluido de
trabajo, se determina la entropía y entalpia del estado 1 antes de
la expansión del vapor, al ser un análisis ideal de la turbina de
alta presión se supone que el elemento es diabático reversible
por lo tanto corresponde a un proceso isoentrópico. Donde la
entropía específica al ingreso y después de la expansión del gas
es igual en un proceso adiabático reversible tal como se muestra
en la Fig. 4 para los estados 1 y 2.
Fig. 4. Programación en EES de las propiedades termo físicas
para los estados 1 y 2. Fuente: Esta investigación, software
E.E.S.
Con los valores de la entropía específica del estado 2 y la
presión de 3000 kPa encontramos la entalpia específica y la
temperatura a la salida de la turbina de alta presión en los
estados 1 y 2 tal como se observa en la Fig. 5.
Fig. 5. Tabla de valores termodinámicos de los estados 1 y 2.
Fuente: Esta investigación, software E.E.S.
Basados en la tabla generada por el E.E.S. definimos las curvas
paramétricas en el eje x como entropía específica y en el eje y
temperatura, como se muestra en la figura 6.
E) Diagrama T-s expansión isoentrópica de la turbina de
alta presión
Como es de esperarse las entropías a la entrada y salida de la
turbina son iguales, con estas propiedades en el software E.E.S.
se puede determinar las temperaturas de salida de la turbina y
la entalpia específica, como se puede observar en la Fig. 6.
Scientia et Technica Año XXVIII, Vol. 29, No. 01, enero-marzo de 2024. Universidad Tecnológica de Pereira.
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Fig. 6. Parametrización propiedades termo-físicas en E.E.S. para los ejes x, y
respectivamente sobre el diagrama T-s. Fuente: Esta investigación, software
E.E.S.
F) Expansión isoentrópica de la turbina de baja presión
Las propiedades termodinámicas se parametrizan bajo el código
de programación en EES, se determina presión, entropía
específica y temperatura como se aprecia en la Fig. 7. Este paso
es necesario ya que se van a trabajar valores de temperatura
entropía, caso contrario se debe parametrizar los valores de
temperatura en cada uno de los estados o cambiar el modelo
gráfico con las propiedades existentes en tabla.
Fig. 7. Propiedades termodinámicas de los estados 1 al 4 del ciclo Rankine con
recalentamiento. Fuente: Esta investigación
G) Eficiencia del ciclo Rankine ideal con
recalentamiento
Uno de los principales objetivos del recalentamiento con
respecto al incremento de la eficiencia térmica de los ciclos de
vapor, está basada en aprovechar la mayor cantidad de potencia
suministrada por la turbina, reducir la presión del sumidero y
volver el ciclo eficiente a diferencia del ciclo Rankine simple.
Ortega (2024) afirma que adicionalmente el trabajar con fluidos
orgánicos incluyen la eficiencia de recuperación de calor de los
desechos térmicos además de la reducción de las emisiones de
gases de efecto invernadero [7]. Por lo tanto, aportan
significativamente a la sostenibilidad ambiental, a diferencia de
los ciclos convencionales. A continuación, se evidencia el
cálculo de la eficiencia térmica del ciclo Rankine ideal con
recalentamiento y el diagrama T-s para los 6 estados
correspondientes Fig. 6. Es así que Smith y Brown (2020) en su
investigación infieren en los diferentes métodos de
recalentamiento y como afecta la eficiencia térmica de un ciclo
termodinámico [8].
IV. ANALISIS DE RESULTADOS
De acuerdo a los resultados obtenidos para los 6 procesos
termodinámicos y el recalentamiento que se propone para
mejorar la eficiencia térmica, se evidencian los siguientes
aspectos respecto a cada uno de los estados.
Estado 1-2: Expansión isoentrópica Del vapor sobrecalentado.
Estado 2-3: Recalentamiento del vapor a presión constante
(Isobárico)
Estado 3-4: Expansión isoentrópica del vapor sobrecalentado a
zona de mezcla.
Estado 4-5: Saturación de la mezcla a estado líquido.
Estado 5-6: Incremento de la presión, paso por la bomba.
Estado 6-1: Adición de calor a presión constante, entrada de la
caldera.
A) Descripción del Ciclo Rankine con Recalentamiento
El ciclo Rankine con recalentamiento de diferentes etapas
que se describen de manera detallada, existe una expansión
isoentrópica en la turbina de lata presión, además se realiza en
la extracción un recalentamiento para aprovechar la entalpía
existente, de esta manera el vapor en estado sobrecalentado se
regresa a la caldera, con el objetivo de incrementar el potencial
energético del fluido con el fin de producir trabajo en una
segunda etapa como se puede observar en la figura 8.
El recalentamiento en un ciclo Rankine es un proceso
termodinámico que consiste en aumentar la temperatura del
vapor después de una primera expansión parcial en la turbina,
con el fin de mejorar la eficiencia del ciclo y reducir la humedad
del vapor en las etapas finales de expansión. En el contexto de
un ciclo Rankine con recalentamiento, este proceso ocurre
típicamente entre dos niveles de presión: alta presión y baja
presión.
Scientia et Technica Año XXVIII, Vol. 29, No. 01, enero-marzo de 2024. Universidad Tecnológica de Pereira
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Fig. 8. Ciclo Rankine idea con recalentamiento, fuente: Esta investigación,
diseño en EES.
1. Bomba de alimentación de la turbina de alta
presión: El agua a alta presión es enviada a la caldera.
• Estado 5-6.
2. Caldera: El agua es convertida en vapor seco a alta
presión, lleva el vapor a la región sobrecalentada en el
domo.
• Estado 6 -1 primera etapa de calentamiento
• Estado 2-3 segunda etapa de calentamiento.
3. Turbina de alta presión (TAP): El vapor expandido
entrega trabajo útil al eje de la turbina, es donde se
produce la máxima potencia.
4. Recalentador: Después de la expansión inicial en la
turbina de alta presión, el vapor es recalentado para
aumentar su temperatura antes de ser enviado a la
turbina de baja presión, con el fin de aprovechar la alta
energía del vapor expandido dentro de la primera
etapa.
5. Turbina de baja presión (TBP): El vapor
recalentado se expande nuevamente, generando
trabajo adicional.
6. Condensador: El vapor se condensa nuevamente en
líquido, completando el ciclo para ser llevado a la
bomba de alimentación.
Los estados mostrados se programan acorde a las variables
termo físicas presentes en la Fig.9. con los valores de
temperatura, presión, entropía del sistema.
Fig. 9. programación del ciclo Rankine ideal con recalentamiento en EES
fuente: esta investigación.
Para el análisis de un ciclo Rankine con recalentamiento se
debe entender como una mejora del ciclo Rankine ideal simple,
en el cual el vapor generado se expande parcialmente en una
turbina, luego se vuelve a calentar a alta presión antes de
continuar su expansión. Este proceso aumenta la eficiencia
térmica del ciclo y reduce la humedad del vapor al final de la
expansión.
Para la parametrización de un ciclo Rankine con
recalentamiento, es fundamental comprenderlo como una
evolución del ciclo Rankine ideal simple, diseñado
específicamente para superar algunas de sus limitaciones
térmicas y mecánicas. En este ciclo mejorado, el vapor
inicialmente generado se expande en una turbina de alta presión
hasta alcanzar una condición intermedia; luego, en lugar de
continuar su expansión directamente, se redirige nuevamente a
la caldera o generador de vapor, donde se somete a un proceso
de recalentamiento a presión constante.
Este vapor recalentado, de mayor temperatura y energía, se
introduce entonces en una segunda turbina de baja presión para
completar su expansión hasta el condensador, de esta manera se
aprovecha la potencia neta de la turbina en una segunda etapa,
como se puede observar en la Fig. 10. Para el recalentamiento
entre los estados 3 y 4 en la expansión isoentrópica del sistema.
Scientia et Technica Año XXVIII, Vol. 29, No. 01, enero-marzo de 2024. Universidad Tecnológica de Pereira.
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Fig. 10. Estados termodinámicos del ciclo Rankine ideal con recalentamiento,
fuente: Esta investigación.
Se determina la eficiencia térmica con los valores del calor de
salida del sumidero y el calor de entrada al ciclo de
recalentamiento.
B) Potencia de una turbina
Para determinar la potencia de una turbina isoentrópica se
toma las entalpías de entrada h1 y salida h2 aplicando la
ecuación de la primera ley de la termodinámica para sistemas
abiertos en estado estacionario, considerando el trabajo
realizado por la turbina ver Fig.11. para el flujo de masa
suministrado; sin embargo, se calculará la potencia por unidad
de masa tomando las entalpias específicas de las tablas
termodinámicas o los valores tomados del EES.
Se puede determinar que, al calcular la potencia de una
turbina bajo condiciones isoentrópicas utilizando entalpías
específicas obtenidas de tablas o del software E.E.S., se obtiene
una estimación ideal del trabajo mecánico máximo
aprovechable. Esta aproximación ignora las irreversibilidades
internas propias del proceso real, como fricción y pérdidas
térmicas; sin embargo, estas no fueron consideradas en el
estudio.
Fig. 11. Sistemas abiertos, turbina isoentrópica de 5 MW.
Fuente: Cengel Termodinámica.
Análisis de primera ley para sistemas abiertos en estado
estacionario, propiedades a la entrada de la turbina en una
eexpansión isoentrópica del vapor sobrecalentado, tal como se
puede apreciar en (2) acorde al texto Çengel & Boles (2021)
correspondiente a un análisis de régimen estacionario en (2) [6].
=
(2)
Donde:
• W es la potencia de la turbina por unidad de masa en
kJ/kg.
• h1 es la entalpía específica de entrada (en kJ/kg).
• h2 es la entalpía específica de salida (en kJ/kg).
=
1
2 (3)
=
3581
3075
=
506
La salida de la turbina de alta presión aun contiene una
energía alta por lo tanto se genera un recalentamiento pasando
nuevamente la línea de vapor para pasarlo por una turbina de
baja presión. La potencia de la turbina en su primera etapa se
determina mediante el análisis de primera ley para un régimen
estacionario el cual se puede apreciar en (3) acorde al texto
Çengel & Boles (2021) análisis de primera ley para un equipo
adiabático reversible para los estados 1 y 2 [6].
C) Potencia de la turbina de baja presión:
I.
La modelación del ciclo Rankine ideal con recalentamiento
según Sánchez (2016) tiene como beneficio según frente a otros
programas convencionales la incorporación de las tablas de
propiedades de trabajo, ahorrar mucho tiempo en la resolución
de problemas frente al método tradicional, de interpolación
manual de las entalpías específicas, se puede emplear en
realizar análisis de sensibilidad y ayudar a una mejor
comprensión del principio de funcionamiento de los sistemas
termodinámicos, equipos y la variación de las propiedades de
los fluidos [9]. Acorde al texto Çengel & Boles (2021) en (4) y
(5) para determinar la potencia en la segunda etapa de la turbina
y la potencia neta total del sistema [6].
Scientia et Technica Año XXVIII, Vol. 29, No. 01, enero-marzo de 2024. Universidad Tecnológica de Pereira
90
=
3
4 (4
)
=
3682
2380
/
=
882
Potencia neta:
=
(5)
=
506
+
882
La eficiencia térmica de un ciclo Rankine con
recalentamiento se determina cuantificando los calores de
entrada y salida del sistema, estos valores tienden a ser bajos
debido a las diferentes irreversibilidades; sin embargo, se puede
determinar mediante (5) acorde al texto Çengel & Boles (2021)
para determinar la eficiencia de los diferentes ciclos de vapor
basados en el ciclo Rankine simple y Rankine con
recalentamiento [6].
(
)
=
1
(5)
(
)
=
1
4
5
(
1
6
)
+
(
3
2)
(
)
=
1
2188
/
3982
/
(
)
=
45%
Se aprecia la eficiencia térmica en el software EES un valor
de 45,06%, como se puede apreciar en la tabla 1. De acuerdo a
lo anterior Johnson y Williams (2019) en su investigación
infieren que el recalentamiento mejora la eficiencia térmica de
un ciclo Rankine, aumentando la potencia suministrada por la
turbina mejorando el sistema operativo real de una planta [10].
De acuerdo a los parámetros establecidos la eficiencia térmica
del ciclo termodinámico mejora considerablemente; sin
embargo, es importante recalcar que dicho calculo corresponde
a la eficiencia isoentrópica del ciclo termodinámico por lo que
su eficiencia real puede disminuir en el análisis.
Acorde a las investigaciones realizadas por Zobeiry, N., &
Humfeld, K. D. (2021). En el cual se expone de forma integral
los desafíos inherentes a la modelación y control térmico en
procesos de manufactura, particularmente cuando se involucran
fenómenos complejos gobernados por Ecuaciones en Derivadas
Parciales (EDPs), Como la conducción y convección de calor
[11]. Tradicionalmente, tales problemas se abordan mediante
métodos numéricos como los Elementos Finitos (FE), que, si
bien son rigurosos y físicamente fundamentados, presentan
limitaciones en cuanto a la rapidez computacional, lo cual
presenta limitaciones que pueden ser resueltas mediante
herramientas específicas de solución como evidencia en la Fig.
12.
Fig. 12. Calculo de las eficiencias térmicas del ciclo Rankine con
recalentamiento en EES. Fuente: Esta investigación EES.
La eficiencia térmica de un ciclo Rankine ideal no supera el
35% por lo que aplicar un recalentamiento puede incrementar
la eficiencia hasta un 15%, llegando a un 45% con respecto al
ciclo Rankine ideal simple provechando la potencia producida
en la etapa de recalentamiento.
Acorde a los estudios realizados por Olivera Cosgalla &
Sánches (2021) aluden que siempre es importante poder medir
y comparar los resultados obtenidos contra patrones
establecidos, por lo que los métodos de análisis experimentales,
es importante contrastar los elementos de la mecánica
computacional y los fenómenos de la vida real; sin embargo,
son buenas aproximaciones al análisis termodinámico [12].
VI. CONCLUISONES
La simulación en EES del ciclo Rankine ideal con
recalentamiento demostró un notable incremento en la
eficiencia térmica del sistema, alcanzando un 45%. Este
aumento significativo resalta la efectividad del recalentamiento
como estrategia para mejorar el rendimiento de los ciclos de
generación de energía.
Con respecto a la reducción de la presión del sumidero a 10
kPa contribuyó considerablemente a la mejora de la eficiencia
del ciclo Rankine. La disminución de la presión del
condensador permite un mayor aprovechamiento del trabajo útil
en la turbina, optimizando así la conversión de energía térmica
en energía mecánica. La implementación del recalentamiento
en el ciclo Rankine no solo mejoró la eficiencia térmica, sino
que también ayudó a reducir las tensiones térmicas en la
turbina. Esto puede resultar en una mayor vida útil de los
componentes y una operación más fiable del sistema de
generación de energía.
Scientia et Technica Año XXVIII, Vol. 29, No. 01, enero-marzo de 2024. Universidad Tecnológica de Pereira.
91
Los valores tomados dentro de los rangos de presión de
ingreso a la turbina, expansión isoentrópica y una segunda
expansión para el recalentamiento, representa un incremento
significativo en la eficiencia térmica de un ciclo, es importante
tener en cuenta que el incremento de la potencia producida
depende de factores como la diferencia de presión entre el
sumidero y la salida en la segunda etapa.
Los resultados obtenidos del presente estudio modelado
mediante el software Engineering Equation Solver (E.E.S.),
permiten concluir que esta herramienta tecnológica representa
un recurso valioso en la enseñanza y comprensión de sistemas
termodinámicos complejos en ingeniería mediados por el uso
de las TIC. Si bien el enfoque exploratorio de este estudio no
permite una validación estadística formal, la experiencia de
modelado y visualización de los procesos involucrados sugiere
que el uso de E.E.S. favorece la comprensión de las variables
termo físicas que influyen en la eficiencia del ciclo, así como
una mayor claridad en la identificación de transformaciones
energéticas críticas.
VII. RECOMENDACIONES
Dentro del estudio es importante tener en cuenta que el
software es una aproximación matemática significativa, sin
embargo para el caso no se tienen en cuenta las eficiencias de
los equipos por lo que el rendimiento real del ciclo puede ser
menor, adicionalmente tampoco se tienen en cuenta las perdidas
de presión por accesorios y cambios de sección lo que puede
llevar a la disminución de la entalpia de los estados presentados,
sin embargo la versatilidad del software permite realizar un
correcto análisis de la mecánica de fluidos para tasar
correctamente este tipo de perdidas. La mecánica
computacional utilizada corresponde a una herramienta
pedagógica significativa que le permite al estudiante agilizar
procesos matemáticos y realizar cálculos para la producción
energética de manera mas eficiente además de desarrollar
competencias transversales en lenguajes de programación
especializados y dedicados exclusivamente a los análisis
termodinámicos energéticos.
1) Trabajos futuros y derivados del proyecto de
investigación.
Este artículo deriva de la propuesta del CIP de sistemas
termodinámicos avanzados aplicados en los diferentes
ciclos y sistemas de refrigeración, los resultados de
investigación derivaron en diferentes proyectos
enfocados a la producción energética y a la conciencia
ambiental incrementando tanto la eficiencia térmica de
los ciclos termodinámicos como los coeficientes de
operación de los ciclos de refrigeración, esto con el
objetivo de parametrizar de manera adecuada los diseños
de ingeniería, apoyados con herramientas tecnológicas,
el estudio energético también sentó un precedente en el
análisis de diferentes energías alternativas en el
departamento de Nariño como la energía geotérmica en
fuentes hiper entálpicas del volcán Cumbal además de un
estudio de la energía del viento como capítulo del libro
del candidato a doctor Favio Nicolas Rosero, donde se
analizan las diferentes condiciones del viento como
fuente de producción sostenible en materia de energía.
REFERENCIAS
[1]
Y. O. Fernández, L. A. V. Fernández, E. G. Suarez, D. A.
Villegas, J. N. Gamboa, y T. I. L. Echevarria, “Gestión del
conocimiento y tecnologías de la información y
comunicación (TICs) en estudiantes de ingeniería
mecánica,” Apuntes Universitarios, vol. 10, no. 1, pp. 77–
88, 2020. Available: DOI: 10.17162/au.v10i1.419
[2]
V. H. Medina-Matute, L. E. Solorzano-Villegas, C. A.
Medina-Jiménez, y D. G. V. P. Dimas, “Innovación
Educativa para la Enseñanza de la Matemática en
Ingeniería,” Rev. Cient. Arbitrada Investig. Comun., Mkt. y
Empresa REICOMUNICAR, vol. 7, no. 13 Ed. esp., pp. 2–
12, 2024. Available:
https://reicomunicar.org/index.php/reicomunicar/article/vie
w/219
[3]
D. Mosquera-González, A. Valencia-Arias, M. Benjumea-
Arias, y L. Palacios-Moya, “Factores asociados al uso de
tecnologías de la información y la comunicación (TIC) en
los procesos de aprendizaje de estudiantes de ingeniería,”
Formación Universitaria, vol. 14, no. 2, pp. 121–132, 2021.
Available: DOI: 10.4067/S0718-50062021000200121.
[4]
N. J. Hernández-Fernández, L. Zumalacárregui-de
Cárdenas, y O. Pérez-Ones, "Simulación de condiciones de
operación y fluidos de trabajo para ciclos Rankine
orgánicos," *Rev. Investig. Desarro. Innov.*, vol. 10, no. 2,
pp. 349–358, 2020. Available:
https://doi.org/10.19053/20278306.v10.n2.2020.10213.
[5]
S. A. Vásquez, A. P. Barturén, y F. M. Carbajal, "Aplicación
del simulador Aspen HYSYS en la resolución de problemas
del ciclo Rankine regenerativo con recalentamiento
intermedio," *Inf. Tecnol.*, vol. 31, no. 3, pp. 199–208,
2020. Available: http://dx.doi.org/10.4067/S0718-
07642020000300199.
[6]
Y. A. Çengel y M. A. Boles, *Thermodynamics: An
Engineering Approach*, 9th ed. New York: McGraw-Hill
Education, 2021.
[7]
M. A. Ortega Sarceda, *Optimización de la eficiencia de
una planta de potencia solar con ciclo Rankine orgánico*,
2022. Available:
http://hdl.handle.net/2183/31764
[8]
J. Smith y A. Brown, "Enhancing the efficiency of Rankine
cycle with reheat: A review," *Int. J. Energy Res.*, vol. 44,
no. 3, pp. 1234–1250, 2020.
[9]
R. C. Olivera, J. J. M. Cosgalla, y F. D. Sánchez, "Los
métodos experimentales y su importancia en la enseñanza
de la ingeniería mecánica como complemento al diseño
asistido por computadora," 2021.
[10]
L. Johnson y T. Williams, "Impact of reheat on the
performance of Rankine cycle: A case study," *Appl.
Therm. Eng.*, vol. 150, pp. 250–260, 2019.
[11]
N. Zobeiry y K. D. Humfeld, "A physics-informed machine
learning approach for solving heat transfer equation in
Scientia et Technica Año XXVIII, Vol. 29, No. 01, enero-marzo de 2024. Universidad Tecnológica de Pereira
90
advanced manufacturing and engineering applications,"
*Eng. Appl. Artif. Intell.*, vol. 101, Art. no. 104232, 2021.
Available: https://doi.org/10.1016/j.engappai.2021.104232
[12]
J. D. Sánchez Más, *Modelización con el software
Engineering Equation Solver (EES) para la optimización de
una central térmica de un ciclo real de turbina de vapor
utilizado en la central nuclear de Cofrentes*, 2016.
Diego Alejandro Narváez
Meza: Mechanical Engineer
graduated from the
Technological University of
Pereira, with a Master's degree
in University Teaching from
the University of Nariño. He is
a tenured professor in the
Faculty of Engineering at the
Universidad Autónoma de
Nariño, teaching in both the
Mechanical Engineering and Electronic Engineering
programs. He is a member of the Latin American
Network of Research Seedbeds, project director, and
coordinator of the CIP for advanced systems applied to
the thermo-physical model. He also serves as a
consultant for the development of qualified
registrations for engineering programs, is a member of
the undergraduate project evaluation committee, and a
technical advisor focused on research areas such as
machine design, industrial equipment—where he has
supervised technological development projects
including prototypes of agro-industrial machines,
materials engineering research with a patent in process,
and thermodynamic analyses of steam and refrigeration
cycles for cogeneration—and the capacity for science,
technology, and innovation in endogenous territorial
development. He previously worked as a full-time
teacher in the area of natural sciences, teaching physics
at the Colegio del Sagrado Corazón de Jesús
Bethlemitas in Pasto, where he also served as
coordinator of the Natural Sciences and Environmental
Education department. He is currently a full-time
professor in the Faculty of Engineering at the
Universidad Mariana, in the Systems Engineering
program, where he supervises undergraduate projects
as an advisor. He is also an honorary member of the
academic-scientific committee of Tecno Science
journal, serving as an external reviewer.
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9236-6450