Termodinamica
21 de Mayo de 2014
3.441 Palabras (14 Páginas)280 Visitas
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
...