10.0 ciclo rankine

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Termodinámica II: Ciclos de vapor Ciclos de vapor Mauricio Yilmer Carmona García, Ph.D. Termodinámica II Facultad de Ingeniería Mecánica Universidad Tecnológica de Pereira
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    22-Jul-2015
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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Ciclos de vapor

    Mauricio Yilmer Carmona Garca, Ph.D.

    Termodinmica II

    Facultad de Ingeniera Mecnica Universidad Tecnolgica de Pereira

  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Son ciclos de potencia en los que el fluido de trabajo se evapora y condensa alternadamente

    El vapor de agua es el fluido de trabajo usado ms comnmente:

    Bajo costo, disponibilidad y alta entalpa de vaporizacin

    Centrales elctricas de vapor:

    Carboelctricas, nucleoelctricas o centrales elctricas de gas natural

    El va por pasa por el mismo ciclo bsico en todas

    Ciclos de vapor

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    1-2: calentamoento reversible e isotrmico en una caldera

    2-3 expansin isentrpicamente en una turbina

    3-4 condensacin reversible e isotrmica en un condensador

    4-1 compresin isentrpica mediante un compresor hasta su estado inicial

    Ciclo de vapor de Carnot

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Elevar la temperatura mxima implica la transferencia de calor hacia el fluido de trabajo en una sola fase, lo que no es fcil de realizar de modo isotrmico

    La calidad del vapor disminuye durante el proceso de expansin en la turbina (2-3). Por lo que debe manejar vapor con gotas lquidas que desgastan los labes

    En el compresor se manejan dos fases, es imprctico comprimir lquido + vapor. Tambin es obtener exactamente la calidad en el punto 4

    Se puede operar en ciclo de forma diferente, pero implica otros problemas an ms complicados

    Ciclo de vapor de Carnot: situaciones imprcticas

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Es el ciclo ideal para los ciclos de potencia de vapor

    Es posible eliminar muchos de los aspectos imprcticos asociados con el ciclo de Carnot si el vapor es sobrecalentado en la caldera y se condensa por completo en el condensador.

    Ciclo Rankine

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    1-2 Compresin isentrpica en una bomba.

    2-3 Adicin de calor a presin constante en una caldera.

    3-4 Expansin isentrpica en una turbina.

    4-1 Rechazo de calor a presin constante en un condensador.

    Ciclo Rankine simple

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Bomba, turbina, caldera y condensador son dispositivos de flujo estable.

    Los cambios e energa cintica y potencial suelen ser pequeos, respecto del trabajo y potencial de vapor.

    Ecuacin de energa de flujo.

    Anlisis de energa en el ciclo Rankine

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Relacin de conservacin de la energa para la bomba q = 0.

    Conservacin de la energa para cada dispositivo

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Conservacin de la energa para cada dispositivo

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Eficiencia trmica del ciclo Rankine

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Las plantas de energa de vapor son responsables de producir la mayor parte de la energa elctrica del mundo, un pequeo aumento en la eficiencia trmica significa grandes ahorros en los requerimientos de combustible.

    La idea bsica es aumentar la temperatura promedio a la que el calor se transfiere al fluido de trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio a la que el calor se rechaza del fluido de trabajo en el condensador.

    Incrementar la eficiencia del ciclo Rankine

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Para aprovechar el aumento de la presin deben operar por debajo de la presin atmosfrica.

    No obstante, hay un limite inferior en la presin del condensador que es posible emplear; no puede ser menor que la presin de saturacin correspondiente a la temperatura medio de enfriamiento.

    Reduccin en la presin del condensador

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Reduce el contenido de humedad del

    vapor a la salida de la turbina.

    La temperatura esta limitada por

    consideraciones metalrgicas. (620C

    1150F)

    Sobrecalentamiento del vapor a altas presiones

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Las presiones de operacin se han

    incrementado

    2.7 MPa -1922

    30 MPa hoy en dia

    Presiones supercrticas P > 22.09 Mpa

    (1000MW)

    Eficiencia 40%

    El efecto de incrementar la presin de la caldera

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Cmo es posible aprovechar las mayores eficiencias a presiones mas altas sin encarar el problema de humedad excesiva en las etapas finales de la turbina?

    1. Sobrecalentar el vapor a temperaturas muy altas antes de que entre a la turbina. No es viable por que requiere elevar la temperatura del vapor a niveles metalrgicamente inseguros.

    2. Expandir el vapor en la turbina en dos etapas y recalentarlo entre ellas. Modificar el ciclo Rankine ideal con un proceso de recalentamiento.

    Ciclo Rankine con recalentamiento

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Ciclo Rankine con recalentamiento

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Ciclo Rankine con recalentamiento

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    El ciclo real difiere del ciclo ideal, como resultado de las irreversibilidades. La friccin del fluido y las prdidas de calor hacia los alrededores son las dos fuentes ms comunes de irreversibilidades

    La friccin del fluido ocasiona cadas de presin en la caldera, el condensador y las tuberas entre diversos componentes. Para compensar todas estas cadas de presin, el agua debe bombearse a una presin ms alta que la que tiene el ciclo ideal

    Otra fuente importante de irreversibilidad es la prdida de calor del vapor hacia los alrededores cuando este fluido circula por varios componentes. Para mantener el mismo nivel de salida neta de trabajo, es necesario transferir ms calor hacia el vapor en la caldera

    Desviacin de los ciclos reales respecto de los idealizados

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Las irreversibilidades en bomba y turbina son muy importantes

    En condiciones ideales, el flujo es isentrpico. La desviacin existente entre bombas y turbinas reales puede tomarse en cuenta utilizando eficiencias isentrpicas:

    Desviacin de los ciclos reales respecto de los idealizados

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Considere una planta de energa de 210 MW que opera en un ciclo Rankine ideal sencillo. El vapor entra a la turbina a 10 Mpa y 500C y se enfra en el condensador a una presin de 10 kPa. Muestre el ciclo en un diagrama T-s respecto de las lneas de saturacin y determine a) la calidad del vapor de salida de la turbina b) la eficiencia trmica del ciclo y c) la tasa de flujo msico de vapor.

    Considere una planta de potencia de vapor que opera en un ciclo Rankine ideal sencillo y que tiene una salida neta de potencia de 45 MW. El vapor entra a la turbina a 7MPa y 500C y se enfra en el condensador a una presin de 10 kPa. Muestre el ciclo en un diagrama T-s respecto de las lneas de saturacin y determine a) la eficiencia trmica del ciclo, b) la tasa de flujo msico del vapor.

    Ejercicios propuestos ciclo Rankine

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Una planta termoelctrica de vapor de agua opera en el

    ciclo Rankine con recalentamiento. El vapor entra a la

    turbina de alta presin a 12.5 MPa y 550 C, a razn de 7.7

    kg/s y sale a 2 MPa. El vapor luego se recalienta a presin

    constante a 450 C antes de expandirse en la turbina de baja

    presin. Las eficiencias isentrpicas de la turbina y la bomba

    son 85 por ciento y 90 por ciento, respectivamente. El vapor

    sale del condensador como lquido saturado. Si el contenido

    de humedad del vapor a la salida de la turbina no debe

    exceder 5 por ciento, determine a) la presin de

    condensador, b) la produccin neta de potencia y c) la

    eficiencia trmica.

    Respuestas: a) 9.73 kPa, b) 10.2 MW, c) 36.9 por ciento

    Ejercicios propuestos ciclo Rankine

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  • Termodinmica II: Ciclos de vapor

    Challenging exercise: Consider a steam power plant that operates on a

    reheat Rankine cycle and has a net power output of 80 MW. Steam enters

    the high-pressure turbine at 10 MPa and 500C and the low-pressure

    turbine at 1 MPa and 500C. Steam leaves the condenser as a saturated

    liquid at a pressure of 10 kPa. The isentropic efficiency of the turbine is 80

    percent, and that of the pump is 95 percent. Show the cycle on a T-s

    diagram with respect to saturation lines, and determine (a) the quality (or

    temperature, if superheated) of the steam at the turbine exit, (b) the

    thermal efficiency of the cycle, and (c) the mass flow rate of the steam.

    Answers: (a) 88.1C, (b) 34.1 percent, (c) 62.7 kg/s

    Ejercicios propuestos ciclo Rankine

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