Ciclo de Rankine: Funcionamiento, experimentación y generación de energía

RESUMEN EJECUTIVO

En esta ocasión veremos cómo funciona un ciclo de Rankine simple, y ahora en lugar de usar un vapor de vapor usaremos una turbina Westinghouse, la cual tiene un funcionamiento peculiar ya que no es necesario sobrecalentar el vapor para poder expandirlo en la turbina, esto significa que puede trabajar sin sufrir daños con vapor húmedo, en comparación con la turbina Belliss que se erosionan con facilidad sus álabes sino recibe solo vapor sobrecalentado, esto para asegurar que no entren partículas de agua.

Por otro lado, el no sobrecalentar el vapor nos da un ahorro en combustible o en algún tipo de energía utilizada para elevar sus propiedades termodinámicas como la presión y temperatura, lo que ocasiona minimizar costos y en sentido conviene. Por el contrario, el no sobrecalentar el vapor implica que no aumentemos la energía disponible que el sistema entrega.

De igual forma, vimos como se genera energía eléctrica mediante este ciclo en donde a la turbina se le acopla un generador eléctrico funcionando con voltaje directo y el trabajo entregado por la turbina ocasiona una variación en el flujo de campo magnético, lo cual causa electricidad.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

o 1 termómetro de 200°C

o 1 termómetro de l00°C

o 1 tacómetro

o 1 cronómetro

o 1 cubeta

DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO

Se pone a funcionar la caldera como de costumbre, el vapor llega a la turbina pero es regulado con una válvula y esto es debido a que el vapor no es generado exclusivamente para dicha turbina, controlando el gasto de vapor se mantiene constante la potencia entregada a la turbina, que es la potencia del freno, es decir, el producto del voltaje por la corriente. Una vez estable el voltaje se abre la válvula del condensador para medir la masa de condensado, llenando la cubeta y registrando el tiempo con el cronómetro, y consecuentemente poner la cubeta en la balanza previamente tarada con la masa de la cubeta.

Una vez hecho la toma de datos, se vuelve hacer lo mismo pero aumentando el valor de la resistencia en el generador eléctrico, después se estabiliza el voltaje a 110V y se procede a la medición del gasto del condensado, y así hasta completar cinco, pero en el quinto se debe registrar la temperatura a la que está el condensado, presión en la caldera, temperatura del vapor a la salida de la turbina.

CICLO RANKINE

El ciclo de Rankine es usado para expresar el comportamiento ideal de una máquina de desplazamiento positivo o de una turbina, que operan en conjunto con otro equipo y forman lo que se llama una planta de vapor.

Para esta práctica, la máquina de vapor será una turbina y como equipo adicional se tienen una caldera, un condensador y una bomba de agua de alimentación.

El ciclo de Rankine se puede representar en los diagramas Presión – Volumen y Temperatura – Entropía, como se muestra en las figuras 6.2 y 6.3 respectivamente.

Fig. 6.2 Diagrama p-V Fig. 6.3 Diagrama T-S

Considérese un kilogramo de vapor que entra a una turbina a una presión P1 en el punto 1 (después de la caldera), con una entalpía total h1. Dentro de la turbina se realiza una expansión adiabática (S=cte). de 1 a 2

En el punto 2, el vapor empieza a condensarse hasta llegar a 3, que es la salida del condensador. Este proceso se lleva a cabo a presión constante y en el punto 3 se tienen líquido saturado. En seguida la bomba de agua ejerce presión al líquido para descargarlo en la caldera; el incremento de presión es P3 a P4. La acción de la bomba se considera también adiabática y el líquido entra a la caldera con una entalpía h4.

La entalpía se incrementa en la caldera a presión constante y el fluido nuevamente llega a ser saturado en 5.

Sigue el cambio de entalpía en la caldera hasta que llega a h1 y el ciclo 1, 2, 3, 4,5, l, se completa.

Si Qs es el calor suministrado por la caldera, se tiene:

Qs = h1 – h4 (6.1)

donde:

h1 - entalpía del vapor saliendo de la caldera en Kj/Kg

h4 - entalpía del agua entrando a la caldera en Kj/Kg

Qs está representado en el diagrama T-S como el área 4, 5, 1, b, a.

Si Qr es el calor rechazado en el condensador, que en el diagrama T-S esta representado como el área 2, b, a, 3, se tiene:

Qr = h2 - h3 (6.2)

donde:

h2 - entalpía del vapor saliendo de la turbina en Kj/Kg

h3 - entalpía del líquido saturado saliendo del condensador en Kj/Kg

El trabajo neto del ciclo es:

Qs - Qr = (h1 – h4 ) - (h2 -h3) 6.3

que se puede escribir

Qs - Qr = (hl - h2) - (h4 – h3) 6.4

La eficiencia del ciclo ideal de Rankine es:

6.5

sustituyendo

6.6

El trabajo desarrollado por la bomba en Kj por Kg vale:

b = h4 - h3 6.7

substituyendo 6.7 en 6.6 se tiene:

6.8

Si se considera el fluido en 3 con volumen específico Vf3, incompresible y la descarga de la bomba a una presión P1

 b = (P1 - P2) Vf3 6.9

donde P1 y P2 esta en KPa

Vf3 en m3/Kg

En sistemas pequeños suele despreciarse el trabajo de la bomba b y queda.

6.10

INCREMENTANDO LA EFICIENCIA.

La energía disponible del ciclo puede ser incrementada de las siguientes maneras:

1. Incrementando la presión del vapor a la salida de la caldera

2. Sobrecalentando el vapor que sale de la caldera

3. Disminuyendo la presión del vapor que sale de la turbina

4. Recalentando el vapor que sale de los primeros pasos de la turbina y volviendo a introducirlo en los pasos restantes, o también llamado ciclo con recalentamiento.

5. Usando un ciclo regenerativo para precalentar el agua de alimentación a la caldera.

Ciclo Rankine con Recalentamiento.

Si para aumentar la eficiencia del Ciclo Rankine se recurre a la posibilidad de aumentar la presión durante la adición de calor, habrá un aumento en el contenido de humedad del vapor cuando este se expanda en las últimas etapas de una turbina. Para aprovechar el incremento en la eficiencia con presiones mayores y evitar la formación de humedad al final de la expansión, el vapor es extraído en su totalidad en una etapa de presión intermedia y recalentado en la caldera hasta una temperatura media llevándolo posteriormente a una nueva expansión.

Ciclo Rankine Regenerativo

Esta modificación al ciclo básico, consiste en extraer una parte del flujo de trabajo en varias etapas intermedias de la turbina y pasarla por calentadores, en los cuales el vapor cede su calor al agua que sale del condensador para elevar su temperatura.

En el ciclo regenerativo normalmente se emplean calentadores de tipo abierto y calentadores de tipo cerrado. En el de tipo abierto, el vapor y el agua se mezclan equilibrando su temperatura, es menos costoso y tiene mejores características de transferencia de calor que el de tipo cerrado. La principal desventaja del calentador abierto es la necesidad de utilizar una bomba para elevar la presión del líquido saturado que entra en el calentador.

Los calentadores abiertos se conocen como tanques deareadores porque en ellos se expulsan los gases presentes.

En los calentadores cerrados el vapor extraído no se mezcla con el líquido que viene del condensador y por lo tanto no requieren entrar al calentador con la misma presión.

El líquido fluye por una tubería a través de la cual recibe el calor cedido por el vapor extraído de la turbina. El vapor que se condensa en las paredes externas de los tubos puede bombearse a la línea de agua líquida, llevarse a un calentador abierto de menor presión o directamente al condensador.

En la actualidad, las turbinas de altas presiones de entrada se construyen con 5 a 7 extracciones parciales en etapas intermedias y con 8 a 9 en aquellas con parámetros supercríticos. Las turbinas que trabajan en un rango de presiones medianas suelen construirse con 2 a 4 extracciones parciales

El funcionamiento de un ciclo regenerativo para una planta de vapor con dos calentadores cerrados y uno abierto:

DIAGRAMAS T-S y H-S

Estado 1

Como se trata de vapor saturado y húmedo para calcular h1 se requiere conocer la presión (o temperatura) y la calidad X del vapor.

Estado 2

El proceso 1-2 se considera isentálpico ya que corresponde al paso del vapor por la válvula de control donde se lleva a cabo un estrangulamiento, o sea h1 = h2.

Estados 3T y 3R

De 2 a 3 es el paso del vapor a través de la turbina, el proceso teóricamente es isentrópico sea que S2 = S3T y la entalpía 3T se encuentra con S3T

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