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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. PROF. CARLOS G. VILLAMAR LINARES.

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1 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. PROF. CARLOS G. VILLAMAR LINARES

2 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. Sustancia de Trabajo: Generalmente Agua, durante una parte del ciclo es líquido y otra vapor. Finalidad: Producir Potencia PLANTA DE VAPOR CALOR POTENCIA CALOR DE DESECHO Prof. Carlos G. Villamar L ULA

3 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. Caldera Turbina Condensador Bomba Prof. Carlos G. Villamar L ULA

4 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. T s PROCESOS: 1 – 2 Expansión adiabatica reversible. 2 – 3 Expulsión reversible de calor 3 – 4 Compresión adiabatica reversible 4 – 1 Absorsión reversible de calor. Prof. Carlos G. Villamar L ULA

5 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. T s Este ciclo lo podemos representar como: Prof. Carlos G. Villamar L ULA

6 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. T s Este ciclo lo podemos representar como: F.T.A.T M.T F.T.B.T Wn QhQh QlQl ThTh TlTl La eficiencia la podemos determinar como: Como W n = Q h – Q L Sustituyendo en la ec. de la Eficiencia Por ser una máquina de Carnot la eficiencia queda Prof. Carlos G. Villamar L ULA

7 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. Problemas presentes en el ciclo de Carnot. Proceso 1 – 2 Expansión con formación excesiva de humedad, no existe una turbina adecuada para trabajar con sustancias bifasicas. Proceso 2 – 3 Condensación parcial, dificil de lograr un punto 3 tal que al comprimirlo reversiblemente obtengamos líquido saturado a la presión de operación de la caldera. Proceso 3 – 4 Compresión de una mezcla líquido-vapor. No existe una máquina compresora que pueda comprimir una sustancia bifásica. Prof. Carlos G. Villamar L ULA

8 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. T s PROCESOS: 2 – 3 Expulsión de calor a P=Cte. 3 – 4 Compresión adiabatica reversible 4 – 1 Absorsión de calor a P= Cte. 1 – 2 Expansión adiabatica reversible. Prof. Carlos G. Villamar L ULA

9 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. T s PROCESOS: 2 – 3 Expulsión de calor a P=Cte. 3 – 4 Compresión adiabatica reversible 4 – 1 Absorsión de calor a P= Cte. 1 – 2 Expansión adiabatica reversible. Trabajo neto Calor Expulsado Calor Absorbido Prof. Carlos G. Villamar L ULA

10 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. s Eficiencia del ciclo T s Trabajo Neto La eficiencia de este ciclo es muy baja. Por lo tanto se deben buscar métodos par incrementarla. Prof. Carlos G. Villamar L ULA

11 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. s Variables que influyen en la eficiencia del ciclo. T s Trabajo neto 3 Prof. Carlos G. Villamar L ULA

12 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. s Variables que influyen en la eficiencia del ciclo. 1.- Reducción de la presión mínima del ciclo. T s Trabajo neto Prof. Carlos G. Villamar L ULA

13 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. s Variables que influyen en la eficiencia del ciclo. 1.- Reducción de la presión mínima del ciclo. T s Calor absorbido Prof. Carlos G. Villamar L ULA

14 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. s Variables que influyen en la eficiencia del ciclo. 1.- Reducción de la presión mínima del ciclo. T s Calor expulsado Prof. Carlos G. Villamar L ULA

15 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. s Eficiencia del ciclo La presión mínima debe ser lo mas baja posible, esto lo limita: - Infiltraciones de aire al sistema. - Temperatura del fluido refrigerante. T s Trabajo Neto Como W n = Q h – Q L Q h Aumenta y Q L permanece cte. Por lo tanto W n aumenta Prof. Carlos G. Villamar L ULA

16 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. s Eficiencia del ciclo Variables que influyen en la eficiencia del ciclo. 2.- Implementar el proceso de sobrecalentamiento, para aumentar la temperatura máxima del ciclo. Esto se obtiene insertando un serpentín en la caldera para sobrecalentamiento para sobrecalentar el vapor saturado producido por la caldera. T s Trabajo Neto Prof. Carlos G. Villamar L ULA

17 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. s 2.- Implementación el proceso de sobrecalentamiento, para aumentar la temperatura máxima del ciclo. T s Calor absorbido Prof. Carlos G. Villamar L ULA

18 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. s Eficiencia del ciclo 2.- Implementación el proceso de sobrecalentamiento, para aumentar la temperatura máxima del ciclo. T s Calor rechazado Prof. Carlos G. Villamar L ULA

19 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. s Eficiencia del ciclo 2.- Implementación el proceso de sobrecalentamiento, para aumentar la temperatura máxima del ciclo. T s Trabajo neto Como W n = Q h – Q L Q h Aumenta y Q L permanece cte. Por lo tanto W n aumenta Prof. Carlos G. Villamar L ULA

20 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. Problemas y limitaciones presentes en el ciclo Rankine con sobrecalentamiento. - A mayor grado de sobrecalentamiento mayor será el trabajo neto obtenido. - La temperatura máxima esta limitada por la resistencia de los materiales. - La eficiencia obtenida es relativamente baja, depende del grado de sobrecalentamiento y por lo tanto de los materiales utilizados. Prof. Carlos G. Villamar L ULA

21 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 3.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento y aumento de Presión. Otra forma de aumentar la eficiencia del ciclo es mantener la temperatura máxima del ciclo constante y aumentar la presión de operación. s T s Trabajo neto Prof. Carlos G. Villamar L ULA

22 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 3.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento y aumento de Presión. s T s Trabajo neto Prof. Carlos G. Villamar L ULA

23 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 3.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento y aumento de Presión. s T s Calor Absorbido Prof. Carlos G. Villamar L ULA

24 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 3.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento y aumento de Presión. s T s Calor Rechazado Prof. Carlos G. Villamar L ULA

25 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 3.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento y aumento de Presión. s T s Trabajo neto Prof. Carlos G. Villamar L ULA

26 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 3.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento y aumento de Presión. s T s Trabajo neto Prof. Carlos G. Villamar L ULA

27 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 3.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento y aumento de Presión. s T s Trabajo neto Como W n = Q h – Q L Q h Aumenta en mayor medida que lo que Q L disminuye Por lo tanto W n aumenta Problemas: - Se presentan mayores problemas de formación de humedad en las ultimas etapas de la turbina, esto reduce su vida util Prof. Carlos G. Villamar L ULA

28 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 3.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento y aumento de Presión. TAPTAB Cald. Bomba Cond. Prof. Carlos G. Villamar L ULA

29 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento Aumento de Presión y Recalentamiento. TAPTAB Cald. Bomb a Cond Prof. Carlos G. Villamar L ULA

30 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento Aumento de Presión y Recalentamiento. TAPTAB Cald. Bomb a Cond T s Prof. Carlos G. Villamar L ULA

31 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento Aumento de Presión y Recalentamiento. T s Calor absorbido Implementación del proceso de recalentamiento. Prof. Carlos G. Villamar L ULA

32 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento Aumento de Presión y Recalentamiento. T s Calor expulsado Implementación del proceso de recalentamiento. Prof. Carlos G. Villamar L ULA

33 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento Aumento de Presión y Recalentamiento. T s Trabajo neto Implementación del proceso de recalentamiento. Prof. Carlos G. Villamar L ULA

34 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento Aumento de Presión y Recalentamiento. T s Trabajo neto - La implementación de este proceso reduce la formación de humedad en la turbina de baja presión, alarga la vida útil de esta. - La temperatura del vapor recalentado (3) generalmente es igual o menor que la temperatura del vapor sobrecalentado (2), pero nunca mayor. - La implementación de este proceso no garantiza el aumento de la eficiencia del ciclo, si es mal implementado puede incluso reducirla. Ventajas y limitaciones. Prof. Carlos G. Villamar L ULA

35 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con Regeneración TAPTAB Cald. B1 Cond. B2 CA CC 7 -La Regeneración persigue elevar la temperatura del fluido en la entrada de la caldera, para lograrlo utiliza energía del mismo ciclo. Se extrae vapor de las turbinas hacia los calentadores regenerativos. - Se utilizan calentadores Abiertos (CA) y/o Cerrados. - En los CA el fluido a calentar y ha calentarse deben estar a la misma presión. Prof. Carlos G. Villamar L ULA

36 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con Regeneración TAPTAB Cald. B1 Cond. B2 CA CC 7 -En los CC los fluidos pueden estar a diferentes presiones. Son intercambiadores de calor de carcaza y tubos. T ecc T eff L = T sff = T sfc Prof. Carlos G. Villamar L ULA

37 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con Regeneración. T s TAPTAB Cald. B1 Cond. B2 CA CC Prof. Carlos G. Villamar L ULA

38 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con Regeneración. T s TAPTAB Cald. B1 Cond. B2 CA CC Calor absorbido Prof. Carlos G. Villamar L ULA

39 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con Regeneración. T s TAPTAB Cald. B1 Cond. B2 CA CC Calor expulsado Prof. Carlos G. Villamar L ULA

40 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con Regeneración. T s TAPTAB Cald. B1 Cond. B2 CA CC Trabajo neto Prof. Carlos G. Villamar L ULA

41 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con Regeneración. Para conocer la masa que circula por los diferentes aparatos se define el termino fracción masica (f mx ) Se debe hacer un balance energético a los calentadores. Prof. Carlos G. Villamar L ULA

42 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con Regeneración TAPTAB Cald. B1 Cond. B2 CA CC 7 Aplicando la 1° ley al calentador abierto. Aplicando la 1° ley al calentador cerrado Prof. Carlos G. Villamar L ULA

43 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con Regeneración. IRREVERSIBILIDADES. Hasta ahora se han considerado que los procesos de compresión y expansión son ideales es decir isentrópicos, pero en la realidad eso no sucede por lo tanto todos los procesos adiabáticos reales tienen involucrado un aumento de entropía debido a las irreversibilidades internas. Por lo tanto se define la eficiencia Bombas: Turbinas: Prof. Carlos G. Villamar L ULA

44 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con Regeneración. T s Diagrama T-s procesos ideales T s 1 2s 2r 3s 3r 4 6s 6r s s 5r 8r 8s 10r Diagrama T-s considerando las irreversibilidades. Prof. Carlos G. Villamar L ULA

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