APOR CICLOS DE POTENCIA COMBINADOS - eu5.orgfjrivas.eu5.org/TERMODINAMICA WEB/TEMARIO/Apuntes...
9
8. Vapor y ciclos de potencia combinados ___________________________________________________________________________69 VAPOR Y CICLOS DE POTENCIA COMBINADOS Born in Edinburgh, 5 July 1820, Rankine pursued a career as a civil engineer. In 1842 published the first of upwards of 80 pamphlets. Much of his most significant work concerned the dynamical theory of heat and energy. He was elected a Fellow of the Royal Scottish Society of Arts and in 1843 he became an Associate of the Institution of Civil Engineers. From 1844‐48 he worked on the construction of the Clydesdale Junction Railway, and in 1855 was appointed Regius Professor of Civil Engineering and Mechanics at Glasgow University. A major storm in 1856 led to his observations on the stability of chimneys. From 1864 he turned to waves and their action on ships and was appointed consulting engineer of the Highland and Agricultural Society of Scotland in 1865 and became a member of the Committee for Ships of War in 1870. 8.1. DESVENTAJAS DEL CICLO DE CARNOT APLICADO A VAPORES. El ciclo de Carnot es totalmente reversible y por tanto presenta la máxima eficacia alcanzable entre dos temperaturas determinadas. Considérese el ciclo de Carnot aplicado al vapor de agua que se muestra en la figura. Este ciclo consiste en las siguientes etapas: 1‐2 Adición de calor isoterma 2‐3 Expansión isentrópica 3‐4 Rechazo de calor isotermo 4‐1 Compresión isentrópica Las dificultades técnicas asociadas a este ciclo son: ‐ Los procesos isotermos no son difíciles de alcanzar puesto que se realizan en un cambio de fase, con lo que la T debe permanecer constante. Sin embargo, siempre se debe trabajar por debajo del punto crítico para que exista dicho cambio de fase, es decir hay limitaciones en temperatura (374 ºC) y por tanto en eficacia máxima.
Transcript of APOR CICLOS DE POTENCIA COMBINADOS - eu5.orgfjrivas.eu5.org/TERMODINAMICA WEB/TEMARIO/Apuntes...
8. Vapor y ciclos de potencia combinados
___________________________________________________________________________69
VAPOR Y CICLOS DE POTENCIA COMBINADOS
BorninEdinburgh,5July1820,Rankinepursuedacareerasacivilengineer.In1842publishedthefirstofupwardsof80pamphlets.Muchofhismostsignificantworkconcernedthedynamicaltheoryofheatandenergy.
HewaselectedaFellowoftheRoyalScottishSocietyofArtsandin1843hebecameanAssociateoftheInstitutionofCivilEngineers.From1844‐48heworkedontheconstructionoftheClydesdaleJunctionRailway,andin1855wasappointedRegiusProfessorofCivilEngineeringandMechanicsatGlasgowUniversity.
Amajorstormin1856ledtohisobservationsonthestabilityofchimneys.From1864heturnedtowavesandtheiractiononshipsandwasappointedconsultingengineeroftheHighlandandAgriculturalSocietyofScotlandin1865andbecameamemberoftheCommitteeforShipsofWarin1870.
8.1. DESVENTAJAS DEL CICLO DE CARNOT APLICADO A VAPORES.
El ciclo de Carnot es totalmente reversible y por tanto presenta la máxima eficacia
alcanzable entre dos temperaturas determinadas. Considérese el ciclo de Carnot
aplicado al vapor de agua que se muestra en la figura. Este ciclo consiste en las
siguientes etapas:
1‐2 Adición de calor isoterma
2‐3 Expansión isentrópica
3‐4 Rechazo de calor isotermo
4‐1 Compresión isentrópica
Las dificultades técnicas asociadas a este ciclo son:
‐ Los procesos isotermos no son difíciles de alcanzar puesto que se realizan en un
cambio de fase, con lo que la T debe permanecer constante. Sin embargo, siempre se
debe trabajar por debajo del punto crítico para que exista dicho cambio de fase, es
decir hay limitaciones en temperatura (374 ºC) y por tanto en eficacia máxima.
8. Vapor y ciclos de potencia combinados
___________________________________________________________________________70
‐ La expansion isentrópica 2‐3 implica una disminución progresiva de la calidad del
vapor. Esto conlleva problemas de corrosión en las palas de la turbina (la calidad debe
estar siempre por encima de 90%).
‐ La compresión es difícil de controlar para comenzarla justamente en el punto 4.
Además no es recomendable el uso de una mezcla líquido‐vapor en las
bombas/compresores.
Se concluye por tanto que el ciclo de Carnot no es práctico a la hora de generar energía
mediante vapores.
8.2. EL CICLO RANKINE PARA PLANTAS DE VAPOR
Las desventajas anteriormente enunciadas se eliminan trabando con vapor a muy
elevada temperatura y condensando completamente la salida de la turbine. Esto da
lugar al ciclo Rankine con las
siguientes etapas internamente
reversibles:
1‐2 Compresión isentrópica en
bomba.
2‐3 Adición isobara de calor en
caldera.
3‐4 Expansion isentrópica en turbina.
4‐1 Rechazo de calor isobaro en condensador.
Los balance energéticos en cada una de las etapas que componen el ciclo Rankine son:
Bomba: wpump,in = h2‐h1 (8.1)
wpump,in = v(P2‐P1) (8.2)
Caldera: qin = h3‐h2 (8.3)
Turbina: wTurbina,out = h3‐h3 (8.4)
Condensador: qout = h4‐h1 (8.5)
La eficiencia térmica es: 1qoutqin
(8.6)
8. Vapor y ciclos de potencia combinados
___________________________________________________________________________71
8.3. DESVIACION DE LA IDEALIDAD EN EL CICLO RANKINE.
Las desviaciones de comportamiento ideal se deben a procesos de fricción, pérdidas de
calor en tuberías, etc. La fricción produce pérdidas de presión. La figura muestra el
comportamiento real:
Las desviaciones de isotropía de
bombas y turbinas ya fueron
definidas anteriormente:
2 1
2 1
3 4
3 4
P
T
h hsh hah h ah h s
(8.7)
8.4. INCREMENTANDO LA EFICACIA DEL CICLO RANKINE
Las plantas eléctricas de vapor constituyen el principal soporte de generación de
electricidad en el mundo. Para mejorar la eficacia se proponen diversos caminos
basándose en incrementar la temperature para la adición de calor y bajar este
parámetro en el rechazo de calor.
8.4.1. Bajar la presión del condensador.
Una bajada en la presión de trabajo del condensador
baja de forma inmediata la temperatura. En la figura la
parte sombreada representa el aumento en el trabajo
neto producido. Hay que resaltar en este caso también
el calor añadido se incrementa, aunque lo hace de forma
moderada (área bajo 2‐2´). Las presiones que se
manejan en los condensadores están por debajo de la
atmosférica, si bien existe un límite, no puede ser
inferior a la presión de saturación correspondiente a la
temperatura del medio de enfriamiento. Así por ejemplo, si se tiene un río como
medio de refrigeración a 15º C, y manteniendo una diferencia de 10º como fuerza
impulsora, la temperatura en el condensador debe ser como poco de 25 ºC, o lo que es
lo mismo, la presión debe estar por encima de 3.2 kPa. Adicionalmente, las bajas
presiones en los condensadores traen problemas de fugas de aire al interior y lo que es
8. Vapor y ciclos de potencia combinados
___________________________________________________________________________72
más importante, el vapor de salida de las turbinas tiene un mayor contenido en
humedad.
8.4.2. Calentamiento de vapor a altas temperaturas.
El efecto de calendar el vapor de alimento a la
turbina se muestra en la figura. Se consigue por un
lado un mayor trabajo neto producido y por otro
una mejor calidad del vapor que abandona la
turbina. También se aumenta por otro lado la
cantidad de calor suministrado (área bajo 3‐3´).
La máxima temperatura con la que se trabaja en la
actualidad ronda los 620 ºC debido a impedimentos
técnicos con respecto a la resistencia de los
materiales empleados en la fabricación de turbinas.
8.4.3. Incremento de la presión de caldera.
Un incremento en la presión de caldera conlleva un
aumento en la temperatura de ebullición y por tanto
en la temperatura media de adición de calor.
El efecto se observa en la figura donde se muestra el
aumento en trabajo neto por un lado, disminución
del mismo por otro y disminución de la calidad de
vapor de salida de turbina. Estos últimos puntos
negativos se solucionan
mediante recalentamiento
en el proceso de expansión por etapas que se verá a
continuación.
A lo largo del tiempo la presión de caldera se ha subido
desde 2.7 MPa en 1922 hasta los 30 MPa a día de hoy.
Incluso, algunas plantas operan en régimen supercrítico
como se muestra en la figura.
8. Vapor y ciclos de potencia combinados
___________________________________________________________________________73
8.5. CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO
El recalentamiento del vapor en el proceso de expansión por etapas soluciona los
problemas asociados a trabajar a altas presiones de caldera y ya comentados
anteriormente.
El diagram T‐s se muestra a continuación
El balance de calor y trabajo
debe tener en cuenta ahora
el calor primario y el usado
en la regeneración. Por otro
lado el trabajo dado por la
turbina proviene de los dos
procesos de expansión:
qin = (h3‐h2) + (h5‐h4) (8.8)
wturbina, out = (h3‐h4) + (h5‐h6) (8.9)
8.6. CICLO RANKINE CON REGENERACION
La hipótesis de trabajo para usar regeneración
consiste en aumentar la temperatura a la cual se
añade calor (2‐2´). Para ello se aumenta la
temperatura del líquido que abandona la bomba
antes de entrar en caldera. Una posibilidad es la
transferencia de calor del vapor parcialmente
expandido que se encuentra a alta temperatura
mediante un intercambiador de calor o regenerador.
Los regeneradores pueden ser abiertos (cámaras de
mezclado) o cerrados (intercambiadores de calor).
8. Vapor y ciclos de potencia combinados
___________________________________________________________________________74
8.6.1. Regeneradores abiertos
Son básicamente cámaras de
mezclado. Idealmente la
mezcla abandona el
regenerador como líquido
saturado. En este tipo de
procesos conviene trabajar en
unidades de masa que llegan a
caldera puesto que de la turbina el flujo se separa en dos, una fracción y una fracción
(1‐y). Según el diagrama se cumple:
qin = h5‐h4 (8.10)
qout = (1‐y)(h7‐h1) (8.11)
wout = (h5‐h6) + (1‐y) (h6‐h7) (8.12)
win = (1‐y) wpump,I + wpump,II (8.13)
wpump,I = v1(P2‐P1) (8.14)
wpump,II = v3(P4‐P3) (8.15)
y = m6/m5 (8.16)
8.6.2. Regeneradores cerrados
En estos regeneradores no existe
contacto físico entre Corrientes con
lo cual no es necesario que las
Corrientes que intercambian calor
se encuentren a igual presión. Por
contra, la transmisión de calor es
menos eficaz que en los
regeneradores abiertos.
8. Vapor y ciclos de potencia combinados
___________________________________________________________________________75
8.7. COGENERATION
La cogeneración consiste en aprovechar el calor generado en las calderas de las
plantas termoeléctricas para alimentar otros procesos que requieren de este calor y no
del trabajo generado en las turbinas. El calor es normalmente transferido como vapor
de agua a 5‐7 atm y 150‐200 ºC.
El diagrama de una planta de cogeneración se muestra en la
figura. Dependiendo de las necesidades de calor de proceso
las fracciones de vapor por las líneas 5, 6 y 7 variarán. Para
una producción máxima de calor, las líneas 6 y 7 estarán
cerradas. Para una producción nula lo estarán las líneas 5 y
6. Se define el factor de utilización en una planta de
cogeneración como:
1cogeneracion
w q qneto proceso salidaq qentrada entrada
(8.17)
El análisis energético en cada etapa es:
Qin = m3(h4‐h3) (8.18)
Qout = m7(h7‐h1) (8.19)
WTurbina = (m4‐m5) (h4‐h6) + m7(h6‐h7) (8.20)
Qproceso = m5h5+m6h6‐m8h8 (8.21)
.
8.8. CICLOS COMBINADOS GAS‐VAPOR
8. Vapor y ciclos de potencia combinados
___________________________________________________________________________76
La idea se basa en combinar ciclos que trabajan a alta temperatura con otros que
trabajan a menor temperatura. Un ejemplo consistiría en combinar un ciclo de Brayton
con otro Rankine. El calor en los gases de salida de turbina del ciclo gas se utiliza para
calentar vapor de entrada en la turbina del ciclo vapor. El diagrama se muestra en la
figura:
Ejemplo. (Introducción 591)
8. Vapor y ciclos de potencia combinados
___________________________________________________________________________77
