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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
“FRANCISCO DE MIRANDA”
COMPLEJO ACADÉMICO "EL SABINO"
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA
AREA DE TECNOLOGÍA
UNIDAD CURRICULAR: TERMODINÁMICA APLICADA
CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR
INGENIERO. JOSMERY SÁNCHEZ
INTRODUCCIÓN
En la presente unidad temática se estudiarán los ciclos de potencia de vapor de agua los cuales operan con el ciclo básico Rankine. Los ciclos de vapor de agua presentan en algunas partes de los procesos, tanto la fase liquida como la fase de vapor. Se estudiarán los sistemas de generación de potencia por medio del vapor, que siguen siendo los responsables de más de la mitad de la energía eléctrica que se produce en el mundo. Pocas industrias no disponen de generación de vapor propio ya sea para energía eléctrica o calentamiento, por lo que es necesaria la instalación de los siguientes modelos referenciales que contienen procesos idealizados, garantizando información cualitativa sobre los parámetros cuando se emplea vapor para calentamiento y para generar energía, cuyo sistema suele ser bastante complejo.
II. 1.OBJETIVO DIDÁCTICO Determinar los diferentes parámetros que permitan evaluar el comportamiento termodinámico de los ciclos de potencia de vapor Rankine en sus diferentes modalidades.
II. 2.OBJETIVOS ESPECÍFICOS Estudio de los ciclos de vapor basados en Carnot, en Rankine, adaptando las ecuaciones termodinámicas que determinan el rendimiento térmico, a través del trabajo neto y el calor transferido al ciclo. Análisis de la influencia en las condiciones de los ciclos de vapor cuando existen variaciones de presión y temperatura. Determinación de las principales diferencias entre los ciclos reales e ideales y las causas que las provocan. Establecimiento de modificaciones al ciclo Rankine como forma de incrementar la capacidad y mejorar el rendimiento, basados en el principio del recalentamiento y en el principio de la regeneración.
CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR
Es necesario tener presentes distintos aspectos tratados en termodinámica, relacionados con el ciclo de Carnot debido a su utilización como criterio básico y referencial que permita evaluar el desempeño de otros ciclos y en este caso el ciclo de potencia de vapor Rankine, haciendo las comparaciones correspondientes para así lograr caracterizar el funcionamiento de una maquina térmica bajo el esquema de los ciclo termodinámicos.
1. CICLO DE POTENCIA DE CARNOT
Es un ciclo reversible, que permite que los cuatro procesos existentes en el puedan invertirse, el cual se desarrolla al someter el fluido (agua) a los dispositivos termodinamicos como lo es el caldera, compresor, condensador, y turbina.
Procesos que comprende: 1-2 (Caldera): Se absorbe calor en un proceso Isotérmico, hasta alcanzar vapor saturado. 2-3 (Turbina): Expansión Adiabática del fluido donde alcanza la temperatura baja TB 3-4 (Condensador): Se condensa el fluido a presión y temperatura constante, donde cede calor QB. 4-1 (Compresor): Se comprime isoentrópicamente vapor de agua húmedo, que se encuentra en el estado 4, hasta el estado 1 de líquido saturado.
Es decir: existen dos procesos isotérmicos reversibles y dos procesos adiabáticos reversibles (Isoentrópicos).
Es impráctico utilizar el ciclo de Carnot con fluidos que sufran cambios en sus fases, ya que: Es difícil comprimir isoentropicamente una mezcla con 2 fases (líquido-vapor). El proceso de condensación tendría que controlarse con mucha precisión para lograr al final las características deseadas en el estado 1. La eficiencia se ve muy afectada por la temperatura T2 a la cual se suministra la energía.
2. CICLO RANKINE SIMPLE
Este ciclo es una es una modificación del ciclo Carnot, con el fin de mejorar el sistema térmico y corregir los problemas que este produce.
2-3. (Caldera): El sistema que funciona según este ciclo consta de una caldera, donde el agua (que es el fluido mas conveniente por ser abundante y económico) entra a la caldera en 2 como líquido y sale al estado de vapor en 3 en un proceso isobárico 3-4. (Turbina): Luego hay una máquina de expansión donde el vapor se expande produciendo trabajo, saliendo en el estado 4, en un proceso isoentrópico. 4-1. (Condensador): A continuación este vapor entra a un aparato de condensación de donde sale como líquido al estado 1, en un proceso isobárico. 1-2. (Bomba): Este a su vez es tomado por una bomba de inyección necesaria para vencer la presión de la caldera, que lo lleva al estado 2 donde ingresa a la caldera, en un proceso isoentrópico.
Wen
Caldera
Went, bom Turbina
Bomba
Wsal, tur
Condensador
q,ent
q,sal
q,ent
q,sal
4. EFECTOS DE PRESIÓN Y TEMPERATURA SOBRE EL CICLO RANKINE
Aumento del rendimiento en el ciclo de Rankine
En general en un ciclo cualquier modificación que produzca un aumento del área encerrada por el ciclo sin modificar la cantidad de energía suministrada Qsum ha de aumentar el rendimiento, puesto que un aumento del área encerrada por el ciclo significa un aumento de Wneto , por lo que necesariamente aumenta η. Algunas alternativas que hacen posible que esto ocurra, son las siguientes:
4.1. Reducción de la presión del condensador (Disminución de Tbaja,promedio ) :
La reducción de la presión de operación del condensador reduce automáticamente la temperatura y, en consecuencia, la temperatura a la cual el calor se rechaza.
Cuando se disminuye la presión del vapor a la descarga de la turbina del valor P4 al valor P4’ se aumenta el trabajo producido por el ciclo, en una proporción que se indica por el área sombreada, con respecto al trabajo que se produce cuando la presión de descarga del vapor es P.
El calor consumido en la caldera se incrementa ligeramente en la proporción mostrada en la curva 2’-2, y el calor entregado en el condensador, que antes era 4-1, se incrementa un poco en 4’-1’. Esto implica por supuesto que al condensador se le debe acoplar algún sistema para producir vacío.
4.2. Sobrecalentamiento del Vapor a altas temperaturas (aumento de Talta,promedio):
Tanto el trabajo neto como la entrada de calor aumentan como resultado del sobrecalentamiento del vapor a una temperatura mas alta. El efecto total es un incremento en la eficiencia térmica, puesto que aumenta la temperatura promedio a la cual se añade el calor. Además, se logra otro efecto muy conveniente: disminuye el contenido de humedad del vapor a la salida de la turbina.
3.- Incremento de la presión de la caldera (aumento de Talta,promedio):
Aumentando la temperatura promedio durante el proceso de adición de calor, se logra incrementar la presión de operación de la caldera, lo que eleva automáticamente la temperatura a la que sucede la ebullición. A su vez, incrementa la temperatura promedio a la que se añade el calor al vapor y de ese modo incrementa la eficiencia térmica.
Incremento en Wneto
Incremento en Wneto
5. DIVERGENCIAS ENTRE EL CICLO IDEAL Y REAL
Los factores más comunes que logran estas divergencias son: las pérdidas por fricción y pérdidas de calor. De esta manera los procesos en la bomba y la turbina no serán Isoentrópicos y en los procesos de transferencia de calor habrá caídas de presión. En la gráfica se pueden apreciar dichos cambios.
Para ajustar más el análisis ideal al funcionamiento real, hay que tener en cuenta los rendimientos adiabáticos de estos equipos, para el caso más común utilizado en los análisis de los ciclos Rankine se tiene para turbinas y bombas:
6. CICLO RANKINE IDEAL CON RECALENTAMIENTO
El recalentamiento intermedio consiste en extraer el vapor de la turbina antes de su expansión total y hacerlo recircular por el horno de la caldera, produciendo un aumento adicional de temperatura y presión (y por lo tanto de entalpía) del vapor. Si se recalienta el vapor ¿Se obtiene un mejor aprovechamiento del calor del combustible?. Sí, en un aspecto.
En la práctica sin embargo al aumentar la cantidad de etapas de recalentamiento también aumenta la complejidad y costo inicial del sistema. Razonando por el absurdo, el máximo rendimiento se alcanzaría con una cantidad infinita de etapas de recalentamiento. Es obvio que esto no es factible.
Existe otra razón que hace deseable usar recalentamiento. La razón principal por la que se hace recalentamiento y mas aún recalentamiento en varias etapas es de práctica operativa de la turbina. Si se permitiese al vapor expandirse hasta el punto 1 (línea cortada en el diagrama) el contenido de líquido sería muy alto (demasiadas gotas de agua) lo que en la turbina es indeseable, porque perjudicaría la integridad de los álabes por la acción erosiva y disminuiría el rendimiento de la turbina.
Decrece Wneto
Incremento en Wneto
Irreversibilidad en la bomba Caída de presión en la Caldera
Ciclo Ideal
Irreversibilidad en la turbina
Caída de presión en el Condensador
Ciclo Real
Las tasas de flujo másico son diferentes en distintos componentes. Ej. Para una tasa de flujo másico a través de la caldera de ṁ ; será de (1-y) ṁ a través del condensador. Entonces al realizar los balances de energía en cada dispositivo se deben considerar las fracciones de flujo que pasa por cada uno de ellos.
Aplicando el balance de energía en el calentador:
Eliminando ṁ 7 al combinar estas dos ecuaciones:
Dividiendo todo entre ṁ1 nos queda:
Si se representa por y4 resulta:
7.2. Ciclo Rankine con calentadores cerrados de agua de alimentación (c.c): En un calentador cerrado no se mezclan las corrientes que entran. El agua de alimentación circula por el interior de los tubos que pasan por el calentador y el vapor extraído de la turbina para precalentar el agua, se condensa sobre los tubos.
En este caso las 2 corrientes pueden estar a presiones diferentes, ya que no se mezclan, idealmente el agua de alimentación se calienta hasta la temperatura de salida del vapor extraído, que abandonara el calentador como un líquido saturado a la presión de extracción.
En la siguiente figura se muestran dos arreglos de calentadores cerrados de agua de alimentación: a) Bombeo directo del vapor condesado a la línea del agua de alimentación de la caldera, b) Atrapa (por estrangulamiento) el vapor condensado y lo lleva a una zona de menor presión de la línea de agua de alimentación, bien sea a un condensador o a un calentador abierto, el cual puede soportar menores presiones que un calentador cerrado.
a) b) Para regimen estacionario, el balance de energía para ciclos rankine con calentadores cerrados, queda:
La sustancia de trabajo usada en casi todos los sistemas de vapor para generar energía es el vapor de agua. La principal razón es económica, al ser el agua la sustancia más fácil de obtener en grandes cantidades con un razonable grado de pureza. Sin embargo, el vapor de agua está muy lejos de ser la sustancia ideal. Se ha gastado una considerable cantidad de tiempo y dinero en investigar posibles alternativas, en busca de una sustancia más adecuada que permita mejorar el rendimiento del ciclo de Rankine para acercarlo más al del ciclo de Carnot, sin tener que recurrir a complejos sistemas como el ciclo regenerativo. Entre otros, se recurrió al mercurio como fluido de trabajo, pero existen varios problemas con esta sustancia. En primer lugar el precio, ya que es muy caro, y en segundo lugar el hecho de que sus vapores son sumamente tóxicos. No obstante, las experiencias realizadas con mercurio despertaron interés en los ciclos binarios. Un ciclo binario es un sistema que usa dos fluidos de trabajo, por ejemplo mercurio y agua. Este sistema consiste en realidad de dos ciclos separados, uno que usa mercurio y el otro que usa agua como fluido de trabajo.
EJERCICIOS RESUELTOS
Ciclo Rankine simple con sobrecalentamiento
A la turbina de un ciclo Rankine ideal entra vapor sobrecalentado a 450 psia y 1400 ºF y sale del condensador como líquido saturado a 2 psia. Determine a) El rendimiento térmico, b) el flujo másico de vapor necesario en lbm/seg, c) flujo de calor suministrado al ciclo en MW, y d) flujo másico de agua de enfriamiento en Btu/h si ésta aumenta de temperatura desde 35 hasta 45 ºF. La potencia neta de salida es 100 MW.
Determinando ahora el calor suministrado por la caldera al sistema mediante la ecuación:
Debido a que la entalpía 2 no esta determinada se utiliza la ecuación de trabajo de la bomba, despejando h2, y sustituyendo:
Ahora esta, se sustituye en la ecuación (4)
qsum =
Ya se puede determinar el rendimiento térmico:
b) El flujo másico de vapor de agua se obtiene de la relación fundamental entre trabajo y potencia:
c) El flujo de calor suministrado al ciclo se obtiene por medio de:
Sustituyendo en (6):
d) Al aplicar el balance de energía al volumen de control localizado alrededor del condensador, se tiene:
Las entalpías de entrada y de salida corresponden a las entalpías del agua en líquido saturado a 35 ºF y 45ºF, respectivamente, entonces:
1.34 Btu/lbm + 94.02 Btu/lbm = 95.36 Btu/lbm
1741.7 Btu/lbm - 95.36 Btu/lbm = 1646.34 Btu/lbm
648.07 Btu/lbm - 1.34 Btu/lbm = 0.3928 = 39.28 %
1646.34 Btu/lbm
100 MW * 1 x 106 WATT * 3.4122 Btu/h * 1 hora = 14 6. 55 lbm/seg
(648.07- 1.34) Btu/lbm 1 MW 1 WATT 3600 seg
14 6.55 lbm * 1837.06 Btu * 3600 seg * 1 WATT * 1 MW = 284.03 MW
seg lbm 1 hora 3.4122 Btu/h 1 x 10^6 WATT
4
1
Entra a 35ºF
Sale a 45ºF
14 6.55 lbm/seg * (109 3. 63 - 94.02) Btu/lbm =14590.77 Lbm/seg
(13.04 – 3) Btu/lbm
ft^3
Lbm
Btu
Lbm
Ciclo Rankine con Regeneración en un Calentador Cerrado
En un ciclo de potencia de vapor con regeneración, se trabaja con unas condiciones a la entrada de la turbina de alta a 2485.3 Psi y 1600 ºF , y se condensa hasta 2 Psia. Este sale de la primera etapa de la turbina a 235.3 Psi , hacia el Calentador Cerrado. La turbina tiene una eficiencia adiabática de 81%. Determine: a) La fracción de gasto másico total que se envía hacia el calentador. b) La eficiencia térmica del ciclo.
Datos: P3 =2485.3 Psi + 14.7 = 2500 Psia Se transforman a Presiones absolutas P4 =235.3 Psi + 14.7 = 250 Psia
ITEM ESTADO PRESION (Psia)
T
(ºF)
h (Btu/lbm)
S
(Btu/lbm ºR)
V
(ft^3 /lbm)
1 Líq.Comp 2500 383.96 0. 2 Líq.Comp 2500 379. 3 Vapor Sobr. 2500 1600 1832.6 1. 4 Vapor Sobr. 250 1426.01 1. 5 Mezcla 2 1003.68 1. 6 Líq.Sat 2 94.02 0.17499 0. 7 Líq.Comp 2500 101.37 0. 8 Líq.Comp 2500 401.04 377. 9 Líq.Sat 250 401.04 376.2 0.5680 0.
ηturb = 81% a) y4 =? b) ηt =?
Determinando las entalpías Estado 1: En este estado el agua se encuentra en Líquido comprimido, se puede aplicar un balance de energía en la bomba,que opera bajo un proceso isoentrópico.
WB1 = Vf 9 ( P1 – P9) (A)
WB1 = h9 – h1 (B)
Sustituyendo en (A), los valores conocidos de presión y el volumen específico del líquido saturado (Vf 9 ) ubicado en tabla a 250 psia, Queda:
WB1 = 0.018653 * (2500 -250) * *
WB1 = 7.
B1 B 2
Lbf
pulg^2
144 pulg^2
1 ft^2
1 Btu.
778 lbf * ft
Estado 9: Líquido Saturado. Se ubican los valores de propiedades a P9=250 Psia
Para determinar la fracción de flujo que se extrae hacia el calentador (y), se sustituye los valores de las entalpías en el balance de energía en el calentador cerrado, Ec D :
Sustituyendo en (C), se encuentra: h2 =
Ahora, se determinará la eficiencia térmica del ciclo:
Se debe conocer el trabajo real de la turbina, por:
(E)
DE (E)
Se debe conocer el trabajo real de las bombas, por:
T
(ºF)
h (Btu/lbm)
S
(Btu/lbm ºR)
V
(ft^3 /lbm)
401.04 376.2 0.5680 0.
h2 = 383.96 Btu/Lbm * 0.20 + (1-0.20)* 377.85 Btu/Lbm = 379.07 Btu/Lbm
si deal
areal Turbi na
w
w
,
,
sum
Tsal Bent T
q
w , w ,
Ws,ideal= h 3 - h4s = 1832.6 Btu/Lbm - 1426.01 Btu/Lbm
Ws,ideal = 406.59 Btu/Lbm
Si se tiene la eficiencia de la turbina y las
entalpías para un proceso ideal, se puede
obtener el trabajo ideal que produce la
turbina
wa , real Turbi na * ws , i deal = 0.81 * 406.59 Btu/Lbm = 329.27 Btu/Lbm
2 1
2 1
,
,
h h
h h
w
w
a
s
areal
sideal Bomba
Como en este caso no se tiene la
eficiencia de la bomba, y solo se conoce
el trabajo ideal que produce la misma, se
busca el trabajo real en función de la
fracción de flujo.
wB , ent vf 9 ( P 1 P 9 )* y 4 vf 6 ( P 7 P 6 )*( 1 y 4 )
wB , ent wB 1 * y 4 wB 2 *( 1 y 4 )
Se debe conocer el calor suministrado al ciclo el cual ocurre en la fuente de calor, como lo es la caldera:
qsum = h 3 – h 2 = 1832.6 Btu/Lbm - 379.07 Btu/Lbm = 1453.53 Btu/Lbm
Entonces, el Rendimiento Térmico del ciclo,es:
El rendimiento obtenido es del 22 %, el aumento del mismo se puede lograr si al ciclo se adapta un segundo calentador de agua de alimentación y la zona de recalentamiento, que ayudarán a prevenir el excesivo contenido de humedad de la corriente que sale de la turbina.
Ciclo Rankine Ideal con Recalentamiento
Considere que en la turbina de alta presión de un ciclo Rankine opera en las condiciones de entrada a 15 Mpa y 600ºC, y a 10 kPa es la presión a la cual opera el condensador. Si el contenido de humedad a la salida de la turbina no excede el 10.4%. Determine: a) La presión a la cual el vapor se debe recalentar. b) La eficiencia térmica del ciclo.
Wb,ent = 7.76 Btu/Lbm * (0.20) + 7.35 Btu/Lbm * (1-0.20) = 7.43 Btu/Lbm
sum
Tsal Bent T q
w (^) , w ,^ =^ 329.27 Btu/Lbm^ –^ 7.43^ Btu/Lbm^ =^ 0.
1453.53 Btu/Lbm
EJERCICIOS PROPUESTOS
1) Se tiene un ciclo Rankine en el cual la caldera produce 10 kg/s de vapor a 10 MPa y 600ºC, el vapor se expande en la turbina de alta presión hasta 600 kPa y regresa a la caldera a recalentarse hasta la temperatura máxima, posteriormente se expande hasta 10 kPa presión a la cual opera el condensador. Se sabe que la Turbina de Alta Presión (TAP) tiene una eficiencia de 95% y la Turbina de Baja Presión (TBP) 85%, la bomba tiene una eficiencia de 75%. Determine: a) Potencias y calores b) Eficiencia del ciclo 2) Un ciclo regenerativo de potencia de vapor funciona de manera que el vapor entra a la turbina a 30 bar y 500ºC y sale del condensador a 0.1 bar. Se emplea un único calentador de agua de alimentacion abierto, que funciona a 5 bar. El rendimiento adiabático de la turbina es de 82% y los rendimientos de ambas bombas son del 78%. Determine: a) El Rendimiento térmico del ciclo. b) El flujo másico del vapor para que el trabajo neto de salida sea de 100 MW. c) El flujo de calor cedido en MW. 3) Aplique el ejercicio anterior utilizando un calentador cerrado de agua de alimentación cuyo vapor condensado, lo atrapa en una válvula de estrangulamiento. 4) La caldera de un ciclo regenerativo, produce vapor a 1600 psia y 900 ºF. Un calentador cerrado recibe vapor extraído de turbina a 350 psia y un calentador abierto funciona a 120 psia. El condensador opera a 1 psia y el condensado que proviene del calentador cerrado se estrangula para enviarlo al calentador abierto. Hay una bomba después del condensador y otra después del calentador abierto ambas con una eficiencia de 85%. La calidad del vapor que sale hacia en condensador es 0,98. a) Fracción del flujo total que va hacia el calentador abierto y cerrado. b) Eficiencia en la turbina. c) Eficiencia del ciclo.
BIBLIOGRAFÍA
- LEVENSPIEL, O (2001). Fundamentos De Termodinámica .Pearson Educación.
- POTTER, M; SOMERTON, C (2004). Termodinámica Para Ingenieros. Editorial McGraw-Hill.
- VAN WYLEN G, SONNTAG R. (1999). Fundamentos de Termodinámica. México: Limusa.
- WARK K; RICHARDS D (2001). Termodinámica. España: Mc Graw Hill.
- YUNUS C; BOLES, M (2006). Termodinámica. México: Mc Graw Hill.
