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Termodinamica


Enviado por   •  21 de Mayo de 2014  •  3.441 Palabras (14 Páginas)  •  232 Visitas

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CAPÍTULO IV

TEMA 1

CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

Aspectos fundamentales de los ciclos termodinámicos de potencia

de vapor.

Ciclos de Carnot.

Ciclo Rankine.

Efectos de la presión y temperatura en el ciclo Rankine.

Divergencias entre el ciclo real y el ideal.

Ciclo Rankine con recalentamiento.

Ciclo Rankine con regeneración.

Cogeneración.

Ciclos combinados gas-vapor

Ciclos de vapor binario

CAPÍTULO IV

CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

Las plantas de potencia de vapor de aguatrabajan fundamentalmente con el

mismo ciclo básico Rankine, tanto si el suministro de energía viene de la

combustión de combustibles fósiles (Carbón, gas o petróleo), como si

proviene de un proceso de fisión en un reactor nuclear. El ciclo de vapor de

agua se diferencia de los ciclos de potencia de gas debido que en algunas

partes de los procesos en el ciclo, se hallan presente tanto la fase liquida

como la fase de vapor. Un ciclo de potencia eléctrica moderno a gran escala

resulta bastante complicado en cuanto a los flujos de masa y energía. Para

simplificar la naturaleza de estos ciclos se estudian en profundidad tomando

modelos sencillos. La ventaja que presentan estos modelos es que

proporcionan información cualitativa importante sobre la mayoría de los

parámetros que afectan al funcionamiento del ciclo en su conjunto,

reforzándose con prácticas de laboratorio donde se obtiene experiencias

reales de la operación de estos sistemas mejorando la compresión de las

plantas de potencia de vaporbajo los principios del ciclo Rankine. En los

textos clásicos que existen temas relacionados donde sepueden encontrar

análisis más amplios de los ciclos de potencia de vapor.

OBJETIVO DIDÁCTICO:

Definir los diferentes parámetros que permitan la evaluación del comportamiento

termodinámico de los ciclos de potencia de vapor Rankine y sus modificaciones.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

• Estudiar el ciclo de vapor basado en Rankine, adaptando las ecuaciones

termodinámicas que determinan el rendimiento térmico del ciclo.

• Analizar la influencia de las variaciones presión y temperatura en los ciclos de vapor

Rankine.

• Determinar las principales diferencia entre los ciclos reales e ideales y las causas

que las provocan.

• Establecer las modificaciones al ciclo Rankine como forma de incrementar la

capacidad y mejorar el rendimiento, basados en el principio del recalentamiento y

regeneración.

ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LOS CICLOS TERMODINÁMICOS DE

POTENCIA DE VAPOR

Los procesos que regresan a su estado inicial reciben el nombre de procesos

cíclicos. Los procesos individuales que constituyen los elementos del proceso

cíclico varían y dependen de cada aplicación en particular. Unciclo ideal de

potencia que utilice vapor de agua se compone de procesos de transferencia

de calor a presión constante (hacia el fluido de trabajo en el generador de

vapor y desde el fluido de trabajo en el condensador) y de procesos de

trabajo adiabático (adición de trabajo por la bomba y entrega de trabajo por la

turbina). La máquina ideal de ignición por chispa se compone de procesos

adiabáticos y a volumen constante. El combustible y el aire se comprimen

adiabáticamente y la combustión subsiguiente se idealiza como un

calentamiento a volumen constante. Los gases calientes se expanden

adiabáticamente, realizando un trabajo. Entonces, los gases al escape

disipan calor a volumen constante.

En estos ejemplos idealizados, los procesos generalmente se consideran

reversibles. Los mismos (y aún hay muchos más) indican que un proceso

cíclico se compone de varios procesos individuales diferentes y su

combinación depende de la aplicación. Losejemplos sobre ciclos tienen un

rasgo distintivo en común: operan entre dos temperaturas límite. La

temperatura elevada resulta de un proceso de combustión en el generador

de vapor o dentro del cilindro. La temperatura baja se debe a procesos de

enfriamiento. Las características de estos ciclos con dos temperaturas se

muestran, desde un punto de vista general, como un depósito de

transferencia de calor a temperatura elevada o fuente a TA, y un depósito de

transferencia de calor a temperatura baja o sumidero a TB. El ciclo que opera

entre esas dos temperaturas es arbitrario.

La primera ley para un ciclo arbitrario establece que:

∫∫= − Q W δ δ

Lo cual es valido para un conjunto arbitrario de procesos tanto reversibles

como irreversibles. Para el ciclo, con dos transferencias de calor, se obtiene:

∫ − = = B A Q Q W W δ

Se emplean los símbolos de valores absolutos para indicar magnitudes y el

signo se indica explícitamente para indicar la dirección de la transferencia de

calor. La segunda ley, aplicada al ciclo, establece que

∫∫∑ ⎟

≥ =

i MC i

i

MC

T

Q

S

δ

δ 0

Donde el cero resulta por tratarse de un ciclo. Las ecuaciones tienen

carácter general para los ciclos. Estas expresiones conducen a un enunciado

(1.1)

(1.2)

(1.3)

muy importante sobre los ciclos que operan entre dos depósitos de

trasferencia de calor. Para transferencias de calor reversibles con los dos

depósitos térmicos, la segunda ley queda:

B

B

A

A

T

Q

T

Q

− ≥ 0

Esta última expresión también se obtiene de la ecuación para la generación

de entropía.

La eficiencia del ciclo ηse define como:

querida Demada

deseada Entrega

Re

= η

Esta eficiencia no debe confundirse con la eficiencia de los aparatos. La

eficiencia del ciclo compara la entrega total del ciclo deseada con la

demanda requerida, en tanto que la eficiencia de los aparatos considera un

proceso (no un ciclo) y compara la trayectoria real con la isentrópica. Un ciclo

de potencia o una máquina térmica, tiene una entrega de trabajo Wuna

demanda de calor A Q del depósito a temperatura elevada. Por

consiguiente, la eficiencia de un ciclo termodinámico es:

Q

W

= η

La ecuación (1.6) resulta en:

A

B

Q

Q

− =1 η

(1.4)

(1.5)

(1.6)

La relación de las transferencias de calor se elimina en la ecuación (1.7),

quedando:

A

B

T

T

− ≤1 η

Donde la igualdad seaplica a ciclos reversibles y la desigualdad se aplica a

ciclos irreversibles. Así,

A

B

rev irr

T

T

− =1 η η p

CICLO DE VAPOR

Como introducción al tema de ciclos de vapor, es necesario tener presentes

distintos aspectos tratados con anterioridad en termodinámica relacionados

con el ciclo de Carnot debidoa su utilización como ciclo de referencia para

evaluar el desempeño deotros ciclos y en particular al 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.

CICLO DE POTENCIA DE VAPOR DE CARNOT:

Existen diversos ciclos teóricos, compuesto por procesos internamente

reversibles. Uno de ellos es el denominado Ciclo de Carnot, que puede

funcionar como sistema cerrado o como sistema de flujo en régimen

estacionario, el mismo está compuesto por dos procesos isotérmicos e

internamente reversibles y dos procesos adiabáticos e internamente

reversibles. Si en varias etapas del ciclo, el fluido de trabajo aparece en las

(1.7)

(1.8)

fases líquida y vapor, el diagrama Ts del ciclo de vapor presentado en la

figura 1.1a y 1.1b, será análogo al ciclo de Carnot.

Este puede resumirse en la siguiente secuencia de procesos:

1-2 A la presión alta del estado 1 se comunica calor a presión constante

(y a temperatura constante), hasta que el agua se encuentra como

vapor saturado en el estado 2.

2-3 Una expansión adiabática e internamente reversible del fluido de

trabajo en la turbina hasta que alcanza la temperatura inferior TB en el

estado 3.

3-4 El vapor húmedo que sale de la turbina se condensa parcialmente a

presión constante (y temperatura constante) hasta el estado 4,

cediendo calor.

4-1 Se comprime isoentrópicamente vapor de agua húmedo, que se

encuentra en el estado 4, hasta elestado 1 de líquido saturado.

Condensadores

Turbina

Compresor

Caldera

3

4

1

2

Fig. 1.1a: diagrama de una maquina térmica de Carnot Fig. 1.1b: diagrama Ts del ciclo Carnot

El rendimiento térmico del ciclo de Carnot, es el máximo posible bajo las

condiciones a la cual este operando, pero algunos de estos procesos son

inviable provocando serias restriccionespara ser considerado útil en términos

prácticos. Entre esos procesos se encuentra:

• La compresión del fluido de trabajo en condiciones bifásicas como lo

exige el proceso 4-1.

• Para determinar la calidad en el estado 4, en necesario un control muy

preciso del proceso de condensación.

• El proceso de expansión el la turbina con vapor húmedo, provocarían la

formación de gotas que impactarían a alta velocidad y presión el los

alabes de la turbina provocando su erosión (destrucción del alabe).

• El rendimiento del ciclo se ve afectado seriamente por la temperatura

máxima T1, debido a las limitaciones dentro de las zonas de saturación

disminuyendo el contenido energético del fluido de trabajo a medida que

se incremente la temperatura.

CICLO RANKINE:

El ciclo Rankine es una modificación del ciclo Carnot, esto con el fin de

mejorar el sistema térmico corrigiendo los problemas que este produce, entre

estas modificaciones están:

¾Primero en el proceso 4-1 se lleva a cabo de manera que el vapor

húmedo expandido en la turbina se condense por completo, hasta el

estado liquido saturado a la presión de la salida de la turbina.

¾Proceso de compresión 1-2 se realiza ahora mediante una bomba de

líquido, que eleva isoentrópicamente la presión del líquido que sale del

condensador hasta la presión deseada para el proceso 2-3.

¾Durante el proceso 2-3 se sobrecalienta el fluido hasta una

temperatura que es con frecuencia superior a la temperatura crítica.

Se considera todas estas modificaciones, para lograr un modelo practico de

un ciclo de planta de potencia de vapor, estaremos en presencia del Ciclo

Rankine, a continuación se realizará una descripción de los componentes

del ciclo y el comportamiento termodinámico registrado en el diagrama Ts:

El sistema que funciona (ver figuras 1.2) según este ciclo consta de una

caldera, donde el agua (que es el fluido más conveniente por ser abundante

y barato) entra a la caldera en 2 como líquido y sale al estado de vapor en 3’.

Después de que el vapor saturado sale de la caldera en el estado 3’pasa a

través del sobrecalentador recibiendo energía, incrementadola temperatura

del vapor a presión constante hasta el estado 3(vapor sobrecalentado).

Luego hay una máquina de expansión (turbina) donde el vapor se expande

produciendo trabajo, saliendo en el estado 4. A continuación este vapor entra

a un aparato de condensación de donde sale como líquido al estado 1. 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.

Fig. 1.2a: diagrama Ts del ciclo Rankine simple con

sobrecalentamiento. Fuente: Kenneth Wark y Donald Richards,

“Termodinámica”, sexta edición.

Fig. 1.2b: diagrama del ciclo Rankine simple con

sobrecalentamiento. Fuente: Kenneth Wark y

Donald Richards, “Termodinámica”, sexta edición.

Análisis Energético del Ciclo Rankine:

Aplicando las ecuaciones de la energía por unidad de masa y régimen

estacionario a cada componente por separado se obtiene las expresiones del

calor y el trabajo del ciclo Rankine.

Despreciando las variaciones de energía cinética y potencial, la ecuación

queda reducida en:

El trabajo isentrópico de la bomba viene dado por:

El valor de se puede obtener mediante la tabla de agua de liquido

comprimido disponible.

Otro método apropiado y con resultados más exacto para el cálculo del

trabajo isentrópico en la bomba, consiste en utilizar laecuación del trabajo en

régimen estacionario, dada por:

Siendo el volumen especifico del líquido saturado en el estado 1

El calor suministrado por unidad de masa es:

El trabajo isentrópico de la turbina es:

El calor cedido en el condensador es:

p c e e h w q ∆ + ∆ + ∆ = +

ent sal h h w q − = +

2 1 1 2 s s h h wBomba = ⇒ − =

2 h

( )

2 1 1 2 1 , ,

s s P P v w dP v w f ent B est = − = ⇒ =

1 , f v

2 3 2 3 3 2 P P h h q qsum = − = = −

4 3 4 3 s s h h w sal T = − = ,

(1.9)

(1.10)

(1.11)

(1.12)

(1.13)

(1.14)

Las relaciones del calor y trabajo pueden expresarse también referidas a la

unidad de tiempo dado por:

Siendo el flujo másico de vapor que atraviesa el dispositivo

El rendimiento térmico de un ciclo de Rankine ideal puede escribirse

entonces como:

El rendimiento térmico también puede expresarse de forma alternativa como:

El balance de energía aplicado al volumen de control situado alrededor del

condensador (ver figura 1.3) se reduce a:

1 4 1 4 P P h h q ced cond = − = ,

bomba turbina neto neto neto w w w w m W y q m Q & & & &

&

&

&

− = ⇒ = =

m&

() 2 3

1 2 1 4 3

h h

P P v h h

q

w w f

sum

ent B sal T

T

− − −

=

=

, , ,

η

2 3

1 4

1 1

h h

h h

q

q

sum

ced

t

− = − = η

( ) ( ) 0

4 1 = − + −

ar ent sal ar vapor vapor

h h m h h m & &

(1.15)

(1.16)

(1.17)

(1.18)

Fig. 1.3: Esquema de un condensador de un ciclo de potencia

de vapor. Fuente: Kenneth Wark y Donald Richards,

“Termodinámica”, sexta edición.

EFECTOS DE LA PRESIÓN Y LATEMPERATURA EN EL CICLO

RANKINE

La idea básica detrás de todas las modificaciones para incrementar la

eficiencia térmica de un ciclo de potencia es la misma; aumentar la

temperatura promedio a la que el calor setransfiere al fluido de trabajo de la

caldera, o disminuir la temperatura promedio a la que el calor se rechaza del

fluido de trabajo en el condensador. En general en un ciclo cualquier

modificación que produzca un aumento del área encerrada por el ciclo sin

modificar la cantidadde energía suministrada sum Q ha de aumentar el

rendimiento, puesto que un aumento del área encerrada por el ciclo significa

un aumento de neto W , por lo que necesariamente aumenta η.

Reducción de la presión del condensador:

La reducción de la presión de operación del condensador reduce

automáticamente la temperatura del vapor y, en consecuencia, la

temperatura a la cual el calor se rechaza.

Como se muestra en la figura 1.4 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 P4. 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.

Fig. 1.4: Efecto de reducir la presión del condensador en

el ciclo Rankine ideal. Fuente: Kenneth Wark y Donald

Richards, “Termodinámica”, sexta edición.

Incremento de la presión de la caldera:

Otra manera de aumentar la temperatura promedio durante el proceso de

adición de calor es incrementar la presión de operación de la caldera, elevando

la temperatura de ebullición. Esto, a su vez, incrementa la temperatura promedio

a la que se añade calor al vapor.

Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas:

Es posible elevar la temperatura promedio a la que se añade calor al vapor

sin aumentar la presión de la caldera,y es con el sobrecalentamiento del

vapor a altas temperaturas, logrando un incremento en el trabajo de la

turbina.

Como lo muestra la figura 1.5 al elevarse la

presión de la caldera se coloca mas arriba el

límite superior del ciclo de Rankine y

aumenta la superficie encerrada por el ciclo

y con ello su rendimiento. La máxima

presión de interés práctico es del orden de

340 ata, que es algo mas alta que lo usual,

ya que en la mayoría de las calderas

hipercríticas (se denomina así a las calderas

que operan a presiones mayores a la crítica

que es 218 ata) no se superan las 240 ata.

El gráfico nos muestra el efecto de la

presión máxima en el rendimiento del ciclo

de Rankine. De los planteado y observado

en el diagrama Ts se deduce que la alta

presión de entrada a la turbina se debe usar

combinada con el recalentamiento del vapor

para obtener un efecto mayor sobre el

rendimiento del ciclo de Rankine.

Como lo muestra la figura 1.6 si luego de

saturar el vapor se continúa calentando a fin

de llevarlo hasta la zona de vapor

sobrecalentado, la ganancia de superficie

encerrada por el ciclo viene representada por

la zona sombreada en el diagrama Ts. Desde

el punto de vista teórico, encontramos

justificación en el hecho de que cuanto más

alta sea la temperatura del vapor, mayor

cantidad de calor se transformara en trabajo

en la turbina, y por lo tanto menos irreversible

será el proceso, incrementado el rendimiento

térmico del ciclo; Además de reducir los

efectos perjudiciales de la humedad del vapor

en la turbina (erosión de los alabes).

Fig. 1.5: Efecto de incrementar la presión de la caldera

en el ciclo Rankine ideal. Fuente: Kenneth Wark y

Donald Richards, “Termodinámica”, sexta edición.

Fig. 1.6: Efecto de sobrecalentar el vapor hasta

temperaturas elevadas en el ciclo Rankine ideal. Fuente:

Kenneth Wark y Donald Richards, “Termodinámica”,

sexta edición.

DIVERGENCIAS ENTRE UN CICLO REAL E IDEAL

El ciclo potencia de vapor real difiere del ciclo Rankine ideal, debido a las

irreversibilidades en diversos componentes. La fricción del fluido y las

perdidas de calor indeseables hacia los alrededores son las dos fuentes más

comunes de irreversibilidades como lo muestran los diagramas ts de las

figuras 1.7 y 1.8.

Perdidas por fricción:

La fricción del fluido

ocasiona caídas de

presión en la caldera, el

condensador y las

tuberías entre los diversos

componentes. Para

compensar las caídas en

las presiones se requiere

presiones más altas en el

bombeo del agua.

Perdidas de calor:

Otra fuente importante de

irreversibilidades es la

perdida de calor del vapor

por los alrededores cuando

éste circula por varios

componentes.

Irreversibilidades en las

bombas y turbinas:

En las turbinas y bombas

existen variaciones de entropía

entre la entrada y salida.

Originado la disminución en el

trabajo entregado por la turbina

y incremento del trabajo

suministrado a la bomba

Fig. 1.7: Desviación del ciclo real de potencia de vapor

del ciclo Rankine ideal. Fuente: Kenneth Wark y

Donald Richards, “Termodinámica”, sexta edición.

Fig. 1.8: Efecto de las irreversibilidades de la bomba y

la turbina en el ciclo Rankine ideal. Fuente: Kenneth

Wark y Donald Richards, “Termodinámica”, sexta

edición.

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:

CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO

En el ciclo con recalentamiento, el vapor no se expande por completo en una

sola etapa hasta la presión del condensador. Luego de expandirse

parcialmente, el vapor se extrae de laturbina y se recalienta a presión

constante. A continuación, se lo devuelve a la turbina para su expansión

posterior hasta la presión de salida. Sepuede considerar que la turbina está

constituida por dos etapas, una de altay otra de baja presión como lo

muestra la figura 1.9.

s

a

ideal s

real a

Turbina

h h

h h

w

w

4 3

4 3

= =

,

,

η

1 2

1 2

h h

h h

w

w

a

s

real a

ideal s

Bomba

= =

,

,

η

(1.19)

(1.20)

Fig. 1.9 .El ciclo Rankine ideal con recalentamiento.

Fuente: Kenneth Wark y Donald Richards,

“Termodinámica”, sexta edición.

Consideraciones generales:

• Para responder a las crecientes demanda de potencia, las presiones de

operación de las calderas, han ido incrementándose de manera de elevar

las ganancias térmicas al incrementar la temperatura de entrada a la

caldera por efecto de la presión, disminuyendo el calor transferido al

fluido de trabajo. Sin embargo el aumento de la presión el la caldera

origina la disminución de la calidad del vaporde agua que sale de la

turbina como se observa en el diagrama Ts, es decir, A la salida de la

turbina de alta presión, el vapor estageneralmente próximo a la línea de

saturación. Para evitar el problema de erosión de los álabes de la turbina,

y seguir aprovechando las ventajas de laalta presión en las calderas es

necesario el desarrollo de los ciclos con recalentamiento.

• La temperatura tras el recalentamiento, es generalmente igual o algo

inferior a la temperatura de entrada en la primera etapa de la turbina.

• El máximo rendimiento térmico de un ciclo ideal con recalentamiento se

obtiene cuando el cociente en la turbina de alta presión, se

encuentra dentro del intervalo de 0,15 a 0,.35.

La temperatura promedio durante el proceso de recalentamiento puede

incrementarse si se aumenta el número de etapas de expansión y

recalentamiento. Sin embargo,el uso de más de dos etapa de

recalentamiento no es práctico, la ganancia en la eficiencia es tan pequeña

que no justifica el costo y la complejidad adicional. El doble recalentamiento

se emplea sólo en plantas de energía de presión supercrítica.

...

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