CAPÍTULO 12Ciclo Rankine

INDICEIntroducciónPlanta Térmica a Vapor12.1 Ciclo Rankine.12.2 Diagrama h - s de Mollier12.3 Bombas12.4 Calderas12.5 Turbinas12.6 Condensadores12.7 Mejoras del ciclo teórico12.8 Ciclo con sobrecalentamiento12.9 Ciclo con Recalentamiento12.10 Ciclo con Regeneración12.11 Ciclo con Cogeneración12.12 Ciclos BinariosProblemas

12.1 CICLO RANKINE (Centrales Térmicas a vapor)

Consideraciones:-Proceso FEES –Estacionario.-EK = 0; EP = 0

Procesos:1-2: Bomba de Líquido (s = c)2-3: Calentamiento (vaporización a P = c)3-4: Expansión adiabática (s = c). 4-1: Condensación a P = c.

Rendimiento del ciclo:

1QQ

1Q

QQQ

WW

QWW

Q

WW

Q

W

23

41

23

4123th

23

)21(t)43(t

sum

turbinabombath

sum

Vt

sumth

Este ciclo usa vapor de agua como sustancia pura, usaremos Tablas de Vapor y diagramas T-s y h -s

Aquí hay un error, cuál es?

¿Dónde se utiliza este Ciclo de Vapor ?

Máquina de Vapor, 1838

Primera locomotora de vapor del mundo,construida en 1804.

Barco de Vapor

Motocicleta a vapor, 1889

Locomotora de vapor, 1866

CICLO RANKINE IDEAL

DIAGRAMA T - s CICLO RANKINE REAL

También : Diagrama h . s - Mollier

12.3 Bombas

-Aproximadamente adiabática.

12)21(t

12f112

)21(t12f1

2

112

f112

2

112

2

112

0

2

1012

adiabático,012

hhw)PP(vhh

w)PP(vvdP)hh(

vvv

0vdP)hh(

vdP)hh(Pdv)uu(qq

Rendimiento isoentrópico de la bomba (si te dan como dato)nsb = vf1 (P2 - P1)/ Wt 12

Las bombas sirven para dar el flujo de masa m , y elevar la presión en líquidos !!

)( 12)21( hhmWt

)P- (Pv h h 12f112

Bombas Centrífugas

Bombas Centrifugas en serie y paralelo.Lab. Energía PUCP

Esquema Técnico de una bomba

todas las bombas se calculan con la misma formula anterior, solo cambiaran las propiedades del liquido

Bombas centrífugas

Bombas de Pistón

12.4 CalderasCaldera:

isobárica,0

3

223

0

3

202323 vdP)hh(Pdv)uu(qq

23)32( hhq

Rendimiento de la Caldera

PCmhhm

QQ

cCcal

)( 23)32(

COMBUSTI BLES Poder Calorífico Peso Específico

Petróleo Crudo 11507 kcal/ kg 0.7450 kg/ l Gas natural Asociado 273.9 kcal/ PC 1.0 Gas licuado 11833 kcal/ kg 0.5500 kg/ l Gasolina de Aviación 11667 kcal/ kg 0.7500 kg/ l Gasolina Automotriz 11667 kcal/ kg 0.7000 kg/ l J et Fuel 11284 kcal/ kg 0.8400 kg/ l Kerosene 11237 kcal/ kg 0.7980 kg/ l Diesel/ Gas oil 11055 kcal/ kg 0.8000 kg/ l Fuel Oil 11137 kcal/ kg 0.8500 kg/ l No energético 11507 kcal/ kg 0.8100 kg/ l Electricidad 860 kcal/ kWh 1.0 Leña (Altiplano) 3500 kcal/ kg 1.0 Leña (Tierras bajas) 3000 kcal/ kg 1.0 Residuos Animales 2760 kcal/ kg 1.0 Bagazo 1800 kcal/ kg 1.0 Carbón Vegetal (Doméstico)

6500 kcal/ kg 1.0

Carbón Vegetal (Fundición)

7000 kcal/ kg 1.0

Carbón

Caldera Acuotubular

Caldera Pirotubular

Este tambien???

Centrales nucleares

Centrales Térmicas

Centrales nucleares

12.4 Turbinas de vapor

344)-t(3

w

4

334)43(

hhw:adiabáticaes turbina la Si

vdP)hh(q

)43(t

- A l a s a l i d a d e l a t u r b i n a ( x = 9 0 % c o m o m í n i m o ) , p a r a q u e n o s e p r o d u z c a e r o s i ó n

e n l o s a l a b e s , n i c o r r o s i ó n . P o t e n c i a T é c n i c a d e l a T u r b i n a :

)hh(mW 43)43(t

E f i c i e n c i a I s e n t r ó p i c a d e l a T u r b i n a o e f i c i e n c i a a d i a b á t i c a :

43

43st hh

hh

R e n d i m i e n t o M e c á n i c o :

)43(tm

WT

R e n d i m i e n t o d e l G e n e r a d o r :

TVI

gen

Turbina de Vapor

Qué hace esta máquina aquí?

12.6 Condensadores

0

1

441

0

1

404141 vdP)hh(Pdv)uu(qq

41)14( hhq

)()(

)()(

)(

dato como da se

)(

14

14

14)14(

T

es

si

refrigPrefriges

esrefrig

srefrigerefrig

TTcmhh

hhmhhm

hmhmhmhm

hhmQ

INTERCAMBIADORES DE CALOR:

- Condensadores.- Calentadores.- Enfriadores.- Radiadores.- Regeneradores.- Intercambiadores.- Separadores.- Torres de Enfriamiento.

Tubos

Tipos de condensadores

Torres de enfriamiento

C A L E N T A D O R E S :

- I s o b á r i c o s - A d i a b á t i c o s .

A b i e r t o s :

3fc1f2c

f3

321

h)mm(hmhm

hhPPP

C e r r a d o s :

4c2f1f3c

f4

43

21

hmhmhmhmhhPP

PP

R E N D I M I E N T O D E L A P L A N T A :

genmc alth

TVI

WT

Q

Q

Q

W

Q

VI

tcom

)32(

)32(

tPlanta

genmcalthC

Planta

CICLOS POSITIVOS (Máquinas Térmicas)

Se suministra calor para obtener trabajo. El resto de calor se evacua a una fuente de baja temperatura.

Eficiencia Térmica:

Sabemos que:

1)(Q

)(WQ

Wobtenido

sumth

atemperatur alta de recipiente el desde

1QQ

1Q

QQ

QW

A

B

A

BAth

(Ciclos)

QB (-) sale del sistemaQA (+) suministrado al sistema

Ejemplo: Central Térmica: QWWW Vt

1QQ

1Q

QQQ

WW

QWW

Q

WW

Q

W

23

41

23

4123th

23

)21(t)43(t

sum

turbinabombath

sum

Vt

sumth

RENDIMIENTO DE LA PLANTA:

genmcalth

TVI

WT

Q

Q

Q

W

Q

VI

tcom

)32(

)32(

tPlanta

genmcalthC

Planta

Softwares

12.7 Mejoras al Ciclo teórico

Podemos incrementar la presión en la caldera pero luego de la turbina cae dentro de la zona de mezcla y puede bajar la calidad de 90 %, lo cual seria peligroso

también podemos bajar la presión en el condensador con una bomba de vacío, y aumentamos el área y el trabajo. no podemos bajar de 1 bar absoluto !!!

12.8 Ciclo con Sobrecalentamiento

)32(

)21()43(

QWW

QW tt

sum

tth

12.9 Ciclo con Recalentamiento

)54()32(

)21()65()43(

QQWWW

QW ttt

sum

tth

12.10 Ciclo con Regeneración

12.11 Ciclo con Cogeneración

12.12 Ciclos Binarios

Ejemplo:Se tiene un ciclo Rankine regenerativo de dos extracciones y recalentamiento intermedio. Los calentadores son isobáricos y adiabáticos. La caldera y el recalentador son isobáricos. Las expansiones de cada una de las etapas de las turbinas de alta presión TAP se realiza con un rendimiento isentrópico de 0.76 y la turbina de baja presión TBP tiene un rendimiento isentrópico de 0.82. Deberá considerar:Ep y Ek despreciables-Líquido incompresible-Las bombas son adiabáticas reversibles.Determinar:a)Los diagramas T-s y h-s.b)Todas las entalpías específicas (kJ/kg).c) Los flujos de masas m7, m10, m11. Si m6=0.2kg/s.d) La eficiencia del ciclo.e) Sería posible una expansión adiabática desde P12 hasta P13, pero de manera que x13=86%