Ciclos de Potencia de Vapor UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. Ciclos de Potencia de Vapor TERMODINAMICA. PROF. CARLOS G. VILLAMAR LINARES

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

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

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

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. CICLO DE CARNOT Este ciclo lo podemos representar como: TERMODINAMICA. T s 1 2 4 3 Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. T s 1 2 4 3 CICLO DE CARNOT Th F.T.A.T M.T F.T.B.T Wn Qh Ql Este ciclo lo podemos representar como: Tl TERMODINAMICA. La eficiencia la podemos determinar como: Como Wn = Qh – QL Sustituyendo en la ec. de la Eficiencia Por ser una máquina de Carnot la eficiencia queda Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA 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. TERMODINAMICA. 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

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

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

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. CICLO RANKINE Eficiencia del ciclo T TERMODINAMICA. 1 La eficiencia de este ciclo es muy baja. Por lo tanto se deben buscar métodos par incrementarla. 4 Trabajo Neto 3 2 s s Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. CICLO RANKINE Variables que influyen en la eficiencia del ciclo. T TERMODINAMICA. 1 4 Trabajo neto 3 2 s s Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. CICLO RANKINE Variables que influyen en la eficiencia del ciclo. T TERMODINAMICA. 1 1.- Reducción de la presión mínima del ciclo. 4 Trabajo neto 3 2 s s Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. CICLO RANKINE Variables que influyen en la eficiencia del ciclo. T TERMODINAMICA. 1 1.- Reducción de la presión mínima del ciclo. 4 Calor absorbido 3 2 s s Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. CICLO RANKINE Variables que influyen en la eficiencia del ciclo. T TERMODINAMICA. 1 1.- Reducción de la presión mínima del ciclo. 4 Calor expulsado 3 2 s s Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. CICLO RANKINE Eficiencia del ciclo Como Wn = Qh – QL Qh Aumenta y QL permanece cte. Por lo tanto Wn aumenta T TERMODINAMICA. 1 4 Trabajo Neto La presión mínima debe ser lo mas baja posible, esto lo limita: - Infiltraciones de aire al sistema. - Temperatura del fluido refrigerante. 3 2 s s Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. CICLO RANKINE Eficiencia del ciclo Variables que influyen en la eficiencia del ciclo. T TERMODINAMICA. 1 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. 4 Trabajo Neto 3 2 s s Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. CICLO RANKINE 2.- Implementación el proceso de sobrecalentamiento, para aumentar la temperatura máxima del ciclo. 1 T TERMODINAMICA. 4 Calor absorbido 2 3 s s Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. CICLO RANKINE Eficiencia del ciclo 1 T TERMODINAMICA. 2.- Implementación el proceso de sobrecalentamiento, para aumentar la temperatura máxima del ciclo. 4 2 3 Calor rechazado s s Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. CICLO RANKINE Eficiencia del ciclo 1 T TERMODINAMICA. 2.- Implementación el proceso de sobrecalentamiento, para aumentar la temperatura máxima del ciclo. 4 Trabajo neto Como Wn = Qh – QL Qh Aumenta y QL permanece cte. Por lo tanto Wn aumenta 2 3 s s Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA 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. TERMODINAMICA. - 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

Prof. Carlos G. Villamar L ULA 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. 1 TERMODINAMICA. T 4 Trabajo neto 2 3 Prof. Carlos G. Villamar L ULA s s

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 3.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento y aumento de Presión. 1 TERMODINAMICA. T 4 Trabajo neto 2 3 Prof. Carlos G. Villamar L ULA s s

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 3.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento y aumento de Presión. 1 TERMODINAMICA. T 4 Calor Absorbido 2 3 Prof. Carlos G. Villamar L ULA s s

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 3.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento y aumento de Presión. 1 TERMODINAMICA. T 4 Calor Rechazado 2 3 Prof. Carlos G. Villamar L ULA s s

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 3.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento y aumento de Presión. 1 TERMODINAMICA. T 4 Trabajo neto 2 3 Prof. Carlos G. Villamar L ULA s s

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 3.- Ciclo Rankine con sobrecalentamiento y aumento de Presión. TERMODINAMICA. s T 1 2 4 3 Trabajo neto Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA 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 1 2 4 3 Trabajo neto Como Wn = Qh – QL Qh Aumenta en mayor medida que lo que QL disminuye Por lo tanto Wn aumenta TERMODINAMICA. 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

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

Prof. Carlos G. Villamar L ULA 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. 3 TAP TAB Cald. Bomba Cond. 2 1 TERMODINAMICA. 4 6 5 Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA 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. TAP TAB Cald. Bomba Cond. 3 2 1 6 4 5 T s 1 3 TERMODINAMICA. 6 2 4 5 Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA 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 1 2 3 4 5 6 TERMODINAMICA. Implementación del proceso de recalentamiento. Calor absorbido Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA 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 1 2 3 4 5 6 TERMODINAMICA. Implementación del proceso de recalentamiento. Calor expulsado Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA 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 1 2 3 4 5 6 TERMODINAMICA. Implementación del proceso de recalentamiento. Trabajo neto Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA 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. Ventajas y limitaciones. T s 1 2 3 4 5 6 La implementación de este proceso reduce la formación de humedad en la turbina de baja presión, alarga la vida útil de esta. TERMODINAMICA. - La temperatura del vapor recalentado (3) generalmente es igual o menor que la temperatura del vapor sobrecalentado (2), pero nunca mayor. Trabajo neto - La implementación de este proceso no garantiza el aumento de la eficiencia del ciclo, si es mal implementado puede incluso reducirla. Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con Regeneración. 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. 4 TAP TAB Cald. B1 Cond. B2 CA CC 3 1 TERMODINAMICA. 6 5 2 Se utilizan calentadores Abiertos (CA) y/o Cerrados. 11 8 7 - En los CA el fluido a calentar y ha calentarse deben estar a la misma presión. 10 9 12 13 Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con Regeneración. 4 En los CC los fluidos pueden estar a diferentes presiones. Son intercambiadores de calor de carcaza y tubos. TAP TAB Cald. B1 Cond. B2 CA CC 3 1 TERMODINAMICA. 6 5 2 11 Tecc 8 7 10 9 Tsff = Tsfc Teff 12 13 Prof. Carlos G. Villamar L ULA L = 

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con Regeneración. 4 3 2 1 6 5 9 8 13 12 11 10 TAP TAB Cald. B1 Cond. B2 CA CC 7 1 T s 4 TERMODINAMICA. 11 12 2 10 5 3 8 9 7 6 Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con Regeneración. 4 3 2 1 6 5 9 8 13 12 11 10 TAP TAB Cald. B1 Cond. B2 CA CC 7 1 T s 4 TERMODINAMICA. 11 12 2 10 5 3 Calor absorbido 8 9 7 6 Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con Regeneración. 4 3 2 1 6 5 9 8 13 12 11 10 TAP TAB Cald. B1 Cond. B2 CA CC 7 1 T s 4 TERMODINAMICA. 11 12 2 10 5 3 8 9 Calor expulsado 7 6 Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con Regeneración. 4 3 2 1 6 5 9 8 13 12 11 10 TAP TAB Cald. B1 Cond. B2 CA CC 7 1 T s 4 TERMODINAMICA. 11 12 2 10 5 3 Trabajo neto 8 9 7 6 Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA 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 (fmx) TERMODINAMICA. Se debe hacer un balance energético a los calentadores. Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con Regeneración. 3 2 1 6 5 9 8 13 12 11 10 TAP TAB Cald. B1 Cond. B2 CA CC 7 Aplicando la 1° ley al calentador abierto. TERMODINAMICA. Aplicando la 1° ley al calentador cerrado Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA 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 TERMODINAMICA. Bombas: Turbinas: Prof. Carlos G. Villamar L ULA

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 4.- Ciclo Rankine con Regeneración. T s 1 2s 2r 3s 3r 4 6s 6r 7 9 10s 12 11 5s 5r 8r 8s 10r 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 11 T s TERMODINAMICA. Prof. Carlos G. Villamar L ULA Diagrama T-s considerando las irreversibilidades. Diagrama T-s procesos ideales

Prof. Carlos G. Villamar L ULA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. FIN Preguntas ? TERMODINAMICA. Prof. Carlos G. Villamar L ULA