El ciclo Rankine con regeneración Otra técnica para elevar la temperatura promedio del proceso de adición de calor.

Repaso: el ciclo de recalentamiento El ciclo Rankine con regeneración Panorama Repaso: el ciclo de recalentamiento El ciclo Rankine con regeneración Calentadores de alimentación por agua, abiertos y cerrados Ejemplo

Repaso: el ciclo de recalentamiento

El ciclo de recalentamiento El recalentamiento del fluido en expansión con una fuente de calor primaria se realiza en puntos intermedios del proceso de expansión. El efecto neto es que se eleva la temperatura promedio de expansión de la turbina sin que se eleve la temperatura de la fuente de calor.

El ciclo de recalentamiento La expansión adicional permite una entalpía mayor por liberarse entre los estados 3 a 4. Aquí se agregó un proceso adicional de recalentamiento. T s 1 2 3 5 6 4 p2 p1 The Objective of Reheating: Increase work output The reheat process takes place form State 5 to 6. The expansion from States 6 to 4 takes place with no moisture in the turbine as shown here. The second stage of expansion is entirely in the superheat region. Without the reheat process, a single exzpansion would have produced a two-pahse (x < 1) mixture when the temperture dropped blow the saturation temperature at State 5. With reheat, the total work output of the cycle is larger than it would have been with a single expansion process. If State 4 yet lies in the vapor-liquid region (x < 1), at least additional work was extracted and the existense of the two-phase mixture at presumably a high quality (x near unity) would not be too detrimental to the low pressure turbine. As discussedin your text (Moran and Shapiro, pp.330-331), the condsensing process is designed to operate at the lowest possible temeperature, usually the ambinetn. A lower condenser pressure allows the cycle to produce work with the largest possible pressure range and, hence, extract more work. In such systems, the condenser is sealed, and the entire system operates (ideally) in a closed loop.

T s 1 2 3 5 6 4 p2 p1

El ciclo Rankine con regeneración

Principio del ciclo regenerativo Como resultado del calentamiento a partir de los estados a – b, se tiene una alimentación de agua a mayor temperatura. c a b f WFUERA WENTRA QH QC d e

Procesos afectados El calentamiento de algunos de los líquidos comprimidos se hace para elevar la temperatura promedio de la adición de calor. El calentamiento se realiza después de que se comprimió el líquido a presión mayor en el estado a.

El diagrama T-s para el ciclo regenerativo f b c s Transferencia de calor interna para alimentar de agua al calentador. e d a

Consideraciones prácticas... Las turbinas no se pueden diseñar en forma económica con intercambiadores de calor internos. En la turbina puede ocurrir condensación. ¡Impráctico!

Ciclo regenerativo práctico 5 Q2-3 = 0 1 2 3 W2,SALE WENTRA,1 QH 6 WENTRA,2 7 QC 4 W1,SALE Calentador de alimentación de agua The Practical Regnerative Cycle Configuration A feedwazter heater is inserted between the stages of expansion. The expansion in each turbine is carried out isentropically. Note that after a fraction of mass flow is drawn off at State 6 for the feewater heater, the reminaing fraction passes through states 7 to 2. A unit mass of the working fluid is returned to the high tempeaure source at State 4 for heat addition. The net work of the cycle is obtained in the two stages of expansion less the work input to the two feewater pumps. The feedwater heater (Stated 2 - 3) as depicted here is “closed” feedwater heater. No additional liquid is provided, i.e., makup water is not used. Thus mass conservation is easily determined when a mass balance is made for the device. Idally, the feedwater heater accomplished its purpose adiabatically, i.e., Q2-3 = 0.

Diagrama h-s para el ciclo regenerativo 1 3 4 2 WSALE,1 QH QC WENTRA,1 5 6 7 WSALE,2 WENTRA,2 (1 kg) (y kg) (1-y kg)

Balances de energía y eficiencia térmica h s 1 3 4 2 WSALE,1 QH QC WENTRA,1 5 6 7 WSALE,2 WENTRA,2 (1 kg) (y kg) (1-y kg)

Calentadores de alimentación de agua Calentadores de alimentación de agua, abiertos y cerrados

Regeneración con un calentador de alimentación de agua abierto QC QH y 1-y WENTRA,1 WENTRA,2 WSALE La regeneración con un calentador de alimentación de agua abierto con la tasa de fracción de masa de “y” por unidad de masa de la tasa de flujo primario. ES ¨PROBABLE QUE HAYA UN ERROR EN EL ORIGINAL, FALTA CONCORDANCIA...

El calentador de alimentación de agua abierto y Desde la salida del condensador y primera bomba de alimentación de agua (1-y kg) De la turbina. (y kg) A la segunda bomba de alimentación de agua (1 kg) 1-y

Ciclo regenerativo con calentador de alimentación de agua cerrado 5 1 2 3 4 6 7 8 y 1-y QH QC WT Calentador de alimentación de agua cerrado Trampa Condensador

Diagrama T-s para un ciclo regenerativo con calentador de alimentación de agua cerrado 1 2 3 4 5 6 7 8 s T

Ejemplo: regeneración con una sola extracción y calentador de alimentación de agua abierto

Ejemplo Un ciclo regenerativo Rankine con extracción única suministra vapor saturado a 500 psi en la entrada de la turbina. La condensación ocurre a 70o F. Se incluye un calentador de alimentación de agua abierto, y usa vapor a temperatura en el punto medio de los límites del ciclo. Se considera que todos los procesos son internamente reversibles, excepto el que ocurre en el calentador regenerativo. Ignore los efectos de las EC y EP y determine la eficiencia térmica, la irreversibilidad interna y la extreacción de vapor. Suponga una operación estable.

Ejemplo: diagrama en planta WSALE QC a d e c b QH y 1-y WENTRA,1 WENTRA,2 g f

Ejemplo: diagrama T-s a b c d e f g y 1-y 1 T s

Ejemplo: fracción de masa en el estado “c” La fracción de masa del fluido que se extrae en el estado c se obtiene a partir del balance de energía para un sistema abierto, que se aplica al calentador de alimentación de agua. Suponga una mezcla adiabática. a b c d e f g y 1-y 1 T s

Ejemplo: balance de entropía para el calentador de alimentación de agua Aplicación del balance de entropía, para un sistema abierto, al calentador de alimentación de agua.

Ejemplo: datos que se dan

Ejemplo: datos que se calculan

Ejemplo: cantidades del proceso

Ejemplo: cantidades del proceso Obsérvese la producción positiva de entropía en el calentador de alimentación de agua.

Ejemplo: eficiencia térmica Observe que la regeneración ha incrementado la eficiencia térmica por encima de la del ejemplo anterior, a expensas de algo del trabajo de salida por lbm de vapor.

Plantas de potencia de vapor comerciales Recalentamiento (etapas múltiples) Regeneración (extracciones múltiples) Adición de calor casi ideal Calentamiento del agua a temperatura constante

Plantas de potencia de vapor comerciales Las características de transferencia de calor del vapor y el agua permiten sistemas de combustión externa La compresión del líquido condensado produce una razón de trabajo favorable

Plantas de potencia de vapor comerciales El ciclo Rankine con recalentamiento y regeneración tiene ventajas para las plantas grandes. Las plantas pequeñas no tienen economías de escala Combustión interna para la adición de calor. Ciclo termodinámico diferente

Fin del ciclo Rankine con regeneración

Términos y conceptos clave Regeneración Recalentamiento con extracción única Calentador de alimentación de agua abierto de agua cerrado