CAPITULO 9 CICLO RANKINE DE POTENCIA MEDIANTE VAPOR OBJETIVO: Analizar ciclos de Potencia de vapor en los cuales el fluido de trabajo se evapora y condensa alternadamente. Analizar el ciclo básico de potencia de vapor Rankine para incrementar la eficiencia térmica del ciclo.

9.1 INTRODUCCIÓN La mayoría de las centrales generadoras de electricidad son variaciones de ciclos de potencia de vapor en los que el agua es el fluido de trabajo. En la figura 1 se muestra esquemáticamente los componentes básicos de una central térmica de vapor simplificada. El vapor es el fluido de trabajo usado más comúnmente en ciclos de potencia de vapor debidas a las muchas y atractivas características, como bajo costo, disponibilidad y alta entalpia de vaporización.

9.2 Ciclo Rankine de potencia Todos los fundamentos necesarios para el análisis termodinámico de los sistemas de generación de energía eléctrica, como el principio de conservación de la masa y de la energía, el segundo principio de la termodinámica y la determinación de propiedades termodinámicas.

9.2 Ciclo Rankine de potencia Estos principios pueden aplicarse a los componentes individuales de una planta tales como Turbina, bombas, intercambiadores de calor, así como al conjunto de la central eléctrica por complicada que sea.

9.3 El ciclo Rankine ideal El fluido de trabajo sufre la siguiente serie de procesos internamente reversibles:

9.3 El ciclo Rankine ideal Proceso 1-2: expansión isentrópica del fluido de trabajo a través de la turbina desde vapor saturado en el estado 1 hasta la presión del condensador. Proceso 2-3: Transferencia de calor desde el fluido de trabajo cuando fluye a presión constante por el condensador, siendo líquido en el estado 3.

9.3 El ciclo Rankine ideal Proceso 3-4: Compresión isentrópica en la bomba hasta el estado 4 dentro de la zona de líquido. Proceso 4-1: Transferencia de calor hacia el fluido de trabajo cuando circula a presión constante a través de la caldera, completándose el ciclo.

9.4 Principales irreversibilidades Turbina . La principal irreversibilidad que experimenta el fluido de trabajo está asociada con la expansión en la turbina. El calor transferido al ambiente por la turbina representa una perdida, la expansión real a través de la turbina va acompañada de un incremento de entropía. El rendimiento de la turbina relaciona el trabajo real con el trabajo isentrópico.

9.4 Principales irreversibilidades Bomba. El trabajo requerido para la bomba, para vencer los efectos del rozamiento, también reduce el trabajo neto producido por la planta. El rendimiento isentrópico de la bomba toma en cuenta el efecto de las irreversibilidades dentro de la bomba relacionando las cantidades de trabajo real e isentrópico.

Diagrama temperatura-entropía que muestra los efectos de las irreversibilidades en la turbina y bomba

9.5 El ciclo con sobrecalentamiento El rendimiento del ciclo Rankine ideal se puede aumentar utilizando una zona de sobrecalentamiento. Este proceso eleva la temperatura media a la que el ciclo recibe calor, aumentando teóricamente el rendimiento.

9.5.1 El ciclo Rankine ideal con recalentamiento Una segunda modificación que se emplea normalmente en centrales térmicas de vapor es el recalentamiento. Con recalentamiento una central térmica puede beneficiarse del mayor rendimiento que resulta de una presión de caldera mas alta y también evitar el vapor de bajo título a la salida de la turbina.

Ejemplo En un ciclo Rankine con sobrecalentamiento y recalentamiento se utiliza vapor de agua como fluido de trabajo. El vapor entra en la primera etapa de la turbina a 8,0 MPa, 480 ºC y se expande hasta 0,7 MPa. Este se recalienta entonces hasta 440 ºC antes de entrar en la segunda etapa de la Turbina, donde se expande hasta la presión del condensador de 0,008 MPa. La potencia neta obtenida es 100 MW. Determinese: (a) El rendimiento térmico del ciclo. (b) El flujo másico de vapor, en kg/h. (c) El flujo de calor Qs cedido por el vapor en el condensador, en MW.

Consideraciones Cada componente del ciclo se analiza como un volumen de control en estado estacionario. Todos los procesos del fluido de trabajo son internamente reversibles. La turbina y la bomba operan adiabáticamente. El condensado sale del condensador como líquido saturado. Las energías cinética y potencial son despreciables.

SOLUCIÓN DATOS P1 =8 Mpa T1 = 480 º C P2 = 0.7 Mpa T2 = 440 ºC Potencia = 100 MW De tablas de vapor de agua. h1=3348,4 kJ/kg S1= 6,6586 kJ/kgºK Sf2 = 1,9922 kJ/kgºK Sg2 = 6,708 kJ/kgºK hf = 697,22 kJ/kg hfg = 2066,3 kJ/kg h3= 3353,3 kJ/kg S3 = 7,7571 kJ/kgºK

Formulación de ecuaciones Rendimiento La potencia neta desarrollada Pneta=m(Wneto)

Respuestas Rendimiento =40,3 % m = 2,363x105 kg/h

CICLO DE POTENCIA REGENERATIVO Vamos a considerar cómo puede realizarse la regeneración utilizando un calentador abierto de agua de alimentación, que consiste en un intercambiador de calor de contacto directo en el cual las corrientes a diferentes temperaturas se mezclan para dar una corriente a una temperatura intermedia.

Análisis del ciclo Un primer paso importante en el análisis del ciclo regenerativo es el cálculo de las relaciones entre flujos másicos en cada uno de los componentes. Donde m1 es el flujo másico que entra en la primera etapa de la turbina en el estado 1, m2 es el flujo másico extraído en el estado 2, y m3 es el flujo másico que sale de la segunda etapa de la turbina en el estado 3. Dividiendo por m1, queda:

Análisis del ciclo La fracción (y) se puede determinar aplicando los principios de conservación de masa y energía al volumen de control que define el calentador de agua de alimentación. Asumiendo que no hay transferencia de calor entre el calentador y su entorno e ignorando los efectos de energía cinética y potencial. Tendremos.

El trabajo total de la turbina se expresa:

Ejemplo.-Consideremos un ciclo de Potencia regenerativo con un calentador abierto del agua de alimentación. El vapor de agua entra en la Turbina a 8,0 MPa, a 480ºC y se expande hasta 0,7 MPa donde parte de este vapor es extraído y enviado al calentador abierto del agua de alimentación que opera a 0,7 MPa. El resto del vapor se expande en la segunda etapa de la Turbina hasta la presión del condensador de 0,008 MPa. La salida del calentador es líquido saturado a 0,7 MPa . La eficiencia isentrópica de cada etapa de la turbina es del 85 % Si la potencia neta del ciclo es 100 MW, determinar: a) El rendimiento térmico, b) El flujo de masa de vapor que entra en la primera etapa de la turbina, en kg/h.

SOLUCIÓN De tablas de vapor de agua. h1=3348,4 kJ/kg h2=2832,8 kJ/kg S1= 6,6586 kJ/kgºK S2=6,8606 kJ/kg ºK h3=h2-ηT(h2-h3s) h3s=2146,3 kJ/kg h3=2249,3 kJ/kg h4=173,88 kJ/kg h5=h4+v4(p5-p4) H5=174,6 kJ/kg h7=h6+v6(p7-p6)=705,3 kJ/kg DATOS P1 =8 Mpa T1 = 480 º C Pliq-sat = 0.7 Mpa Pcond = 0,008 Mpa Potencia = 100 MW η Flujo de masa

Aplicando los balances de masa y energía al volumen de control que contiene el calentador.

E N D GRACIAS

ES DIOS Que te habla a través del Espíritu, Que te escoge por medio de su hijo Jesucristo, Que conoce los secretos que guardas en tu corazón, Que toma siempre nuestros problemas en sus manos y nos ayuda a resolverlos. Que está a tu lado y te acompaña con amor en el camino de tu vida, Que está al frente de todo, Fue DIOS que toco mi corazón y me hizo acordar de Tí. No por ser una persona amigo (a) sino que eres importante para Dios y para mi. DIOS TE AMA MUCHÍSIMO.