Moreno Tomás,Ortiz Karim__Proyecto 1 Ciclo Rankine

7/26/2019 Moreno Toms,Ortiz Karim__Proyecto 1 Ciclo Rankine

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PROYECTO 1

CICLO RANKINE

TOMS ALBERTO MORENO TORRES,

KARIM ORTIZ ALDACO

PLANTAS TERMICAS Y USO RACIONAL DE LA ENERGA

Profesor: Dr. ALEJANDRO ZALETA AGUILAR

11 DE MARZO DE 2016


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Universidad de Guanajuato. Divisin de ingenieraCampus Irapuato Salamanca

PLANTAS TERMICAS Y USO RACIONAL DE LA ENERGIAALUMNOS: KARIM ORTIZ, TOMS A. MORENOPROFESOR: Dr. ALEJANDRO ZALETA AGUILAR

PROYECTO: CICLO RANKINE

INTRODUCCION:

CALDERA:La caldera, en la industria, es una mquina o dispositivo de ingeniera diseado para generar vapor. Este vaporse genera a travs de una transferencia de calor a presin constante, en la cual el fluido, originalmente en estadolquido, se calienta y cambia su fase a vapor saturadoSegn la ITC-MIE-AP01, caldera es todo aparato de presin donde el calor procedente de cualquier fuente deenerga se transforma en energa utilizable, a travs de un medio de transporte en fase lquida o vapor.

La caldera es un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas un set de intercambiadores de calor, enla cual se produce un cambio de fase. Adems, es recipiente de presin, por lo cual es construida en parte conacero laminado a semejanza de muchos contenedores de gasDebido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera es muy utilizada en la

industria, a fin de generarlo para aplicaciones comoEsterilizacin (tindarizacin): era comn encontrar calderas en los hospitales, las cuales generaban vapor

para "esterilizar" el instrumental mdico; tambin en los comedores, con capacidad industrial, se genera vaporpara esterilizar los cubiertos, as como para elaborar alimentos en marmitas (antes se crey que esta era unatcnica de esterilizacin)

Para calentar otros fluidos, como por ejemplo, en la industria petrolera, donde el vapor es muy utilizadopara calentar petrleos pesados y mejorar su fluidez

Generar electricidad a travs de un ciclo Rankine. La caldera es parte fundamental de las centralestermoelctricas.

Es comn la confusin entre caldera y generador de vapor, pero su diferencia es que el segundo genera vaporsobrecalentado.

TIPOS DE CALDERA:

Acuotubulares: son aquellas calderas en lasque el fluido de trabajo se desplaza por tubos durantesu calentamiento. Son las ms utilizadas en lascentrales termoelctricas, ya que permiten altaspresiones a su salida y tienen gran capacidad de

generacin.Pirotubulares: en este tipo, el fluido en estado

lquido se encuentra en un recipiente atravesado portubos, por los cuales circulan gases a altatemperatura, producto de un proceso de combustin.El agua se evapora al contacto con los tuboscalientes productos a la circulacin de los gases deescape. No confundir esta definicin con la de unintercambiador de calor.


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CONDENSADORES:

Un condensador es un intercambiador de calor que tiene como funcin transferir el calor latente del vapor quese expandi en la turbina de baja presin hacia un medio refrigerante que por lo general es agua.

Intercambiadores de Calor de Tubos y Coraza & Serpentines Sumergidos

Es comn que tanques abiertos con agua o con qumicos sean calentados mediante serpentines estampados o enrelieve (Fig. 3.5.2). Ranuras estampadas en una placa de metal forman una mitad de los espacios para el vapor.Al soldar las dos mitades se crean los conductos para l vapor, donde se produce la transferencia de calor ydonde se evacua el condensado.

Se debe de calcular la carga de condensado en serpentines estampados mediante la siguiente frmula:

mDxUxAQ

Donde:

Q = Calor transferido total, en kJ/hrA = rea de la superficie exterior del serpentn, en m2U = Factor global de transferencia de calor, en kJ/hrm2 C. Ver Tablas 3.5.1 y 3.5.2.


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Dm = Promedio logartmico de diferencia de temperaturas entre el vapor y el lquido (semejante que entre laentrada y la salida de un intercambiador de calor), en C.

2

1

2

D

DIn

DDD 1

m

D1 = Diferencia de temperaturas mayorD2 = Diferencia de temperaturas menor

El promedio logartmico de la diferencia de temperaturas se puede obtener, con una exactitud ligeramentemenor, mediante el uso del nomograma en la Grfica 3.5.1.

Los valores de U son definidos en base a experimentos bajo condiciones controladas. Las Tablas 3.5.1 y 3.5.2

muestran el rango de valores comnmente aceptado para serpentines estampados sumergidos. En el proceso deseleccin de trampas se debe de usar un valor de U que sea ligeramente mayor que el estimado conservador

que se us para calcular la transferencia de calor que est ocurriendo.

Torres de Enfriamiento

Las torres de enfriamiento tienen como finalidad enfriar una corriente de agua por vaporizacin parcial de estacon el consiguiente intercambio de calor sensible y latente de una corriente de aire seco y fro que circula por elmismo aparato. Las torres pueden ser de muchos tipos, sin embargo el enfoque se centra en un equipo.

TIPOS DE TORRES DE ENFRIAMIENTO

Segn el mecanismo de transferencia de calor

torres de refrigeracin hmedas funcionan por el principio de evaporacin,


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torres de refrigeracin secas funcionan por transmisin del calor a travs de una superficie quesepara el fluido a refrigerar del aire ambiente.

Tambin las torres de enfriamiento se clasifican segn la forma de suministro de aire en:

Torres de circulacin natural

1. Atmosfricas: El movimiento del aire depende del viento y del efecto aspirante de las boquillas aspersoras.Se usan en pequeas instalaciones. Depende de los vientos predominantes para el movimiento del aire.

2. Tiro natural: El flujo de aire necesario se obtiene como resultado de la diferencia de densidades, entre el airems fro del exterior y hmedo del interior de la torre. Utilizan chimeneas de gran altura para lograr el tirodeseado. Debido al inmenso tamao de estas torres (500 pie alto y 400 pie de dimetro). Son ampliamente

utilizadas en las centrales trmicas.

Torres de tiro mecnico: El agua caliente que llega a la torre puede distribuirse por boquillas aspersoras ocompartimientos que dejan pasar hacia abajo el flujo de agua a travs de unos orificios

1. Tiro inducido: El aire se succiona a travs de la torre mediante un ventilador situado en la parte superior de latorre. Son las ms utilizadas.

2. Tiro Forzado: El aire se fuerza por un ventilador situado en el fondo de la torre y se descarga por la partesuperior.

Otros tipos: Torres de flujo cruzado


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El aire entra a los lados de la torre fluyendo horizontalmente a travs del agua que cae. Las corrientes de airelaterales se unen en un pasaje interno y dejan la torre por el tope.

COMPONENTES DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO

Equipo mecnico

1. Ventiladores

2. Motores

Sistema de distribucin del agua

Sistema de distribucin de aire

EL PROGRAMA EES:

El nombre EES es el acrnimo de Engineering Equation Solver. La funcin bsica de este programa es laresolucin de sistemas de hasta 5000 ecuaciones no lineales y est disponible para IBM PC y APPLEMACINTOSH. Como explican los autores la motivacin para crearlo surgi de su experiencia docente entermodinmica y transferencia de calor. La mayor parte del tiempo y esfuerzo en la resolucin de problemas enestas asignaturas se destina a la bsqueda de propiedades termofsicas y de la secuencia de clculo de las

ecuaciones del modelo matemtico.El programa EES permite al usuario concentrarse en los aspectos esenciales del problema de diseo o anlisisliberndolo de tareas rutinarias y por tanto des incentivadoras (una vez dominadas). Las ecuaciones queconstituyen el modelo del sistema estudiado se escriben directamente sobre la hoja de trabajo con reglassimilares a las del lenguaje FORTRAN pero sin limitaciones en cuanto al orden de aparicin de las ecuaciones oa la localizacin en stas del signo de igualdad. El usuario puede escribir, modificar y borrar sobre dicha hojacon la facilidad tpica de los editores de texto. El programa incorpora un debugger interno, entre otras muchasopciones del men, para localizar errores de sintaxis, tipos de variables, defecto o exceso de ecuaciones, etc.Dispone de herramientas para la construccin de tablas de datos y resultados as como para la representacingrfica de variables y diagramas. Tambin permite resolver numricamente problemas simples que incorporanecuaciones diferenciales y problemas de optimizacin unidimensional y multidimensional.

ALGUNAS FUNCIONES EN EL EES:


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CICLO RECALENTADO-REGENERATIVO CON DOS CALENTADORES DE AGUADE ALIMENTACIN:

Se considera un ciclo de potencia recalentamiento-regenerativo a base de vapor con dos calentadores de agua dealimentacin, y un calentador de agua abierto. Vapor entra a la primera turbina a 8.0 Mpa, 480C y se expande a0.7 Mpa. El vapor es recalentado a 440C antes de entrar a la segunda turbina, donde este se expande to lapresin del condensador de 0.008 Mpa. Se extrae Vapor de la primera turbina a 2 Mpa y alimenta al calentadorde agua cerrado. El agua deja el calentador cerrado a 205C y 8.0 Mpa, y se condensa a la salida como liquidosaturado a 2 MPa. Lo condensado es atrapado en un calentador de agua abierto. El vapor extrado de la segundaturbina a 3.0Mpa. Tambin alimenta el calentador abierto, el cual opera a 0.3 Mpa. El flujo saliendo delcalentador abierto es liquido saturado a 0.3 Mpa. La potencia neta de salida del ciclo es 100 MW. No hay

prdidas de calor en ningn componente hacia los alrededores. Si el fluido de trabajo experimenta ceroirreversibilidades al pasar travs de las turbinas, bombas, generador de vapor, recalentador, condensador,determinar: (a) la eficiencia trmica, (b) La razn de flujo msico del vapor entrando a la primera turbina. Lainformacin correspondiente al diseo se ilustra en el esquema a continuacin:


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Comenzamos a escribir el cdigo en base a estas condiciones iniciales, seguimos un procedimiento en cualescribimos el cdigo en varias partes, primero para la planta en general como un volumen de control y luego

fuimos creando cdigos especficos para cada componente de manera que obtengamos una simulacin real, asevala las condiciones del generador de vapor o como nosotros lo llamamos caldera, condensadores, yturbinas, para luego fusionarlos en un solo cdigo.Comenzamos con el cdigo del ciclo en general, tomando solamente los valores de entrada y salida delgenerador de vapor, junto a los dems estados definidos en el esquema para las turbinas. Despus generamos elcdigo para las calderas basndonos en la ecuacin de General Electric para anlisis y diseo de calderas. Conel cual calculamos el desempeo. Una vez integrado revisamos que las unidades de ambos cdigos fuerancompatibles y que el programa corriera de forma adecuada. Y continuamos el mismo procedimiento paraimplementar en el cdigo las funciones del condensador abierto y el condensador cerrado.

CONSIDERACIONES Y MTODOS UTILIZADOS:

Coeficiente de flujo msico: Para determinar el coeficiente de flujo msico utilizamos la funcin: Elipse deStodola: phi_TVAP*FA=m1/p1*sqrt(T1+273.15

Factor de apertura de Vlvulas:Agregamos este actor para variar la cantidad neta de energa producida en lasturbinas, consideracin que es incluida en el diseo de plantas de vapor reales. (FA)

Eficiencia Isentropica de cuerpo: Metodo General Electric eff_TV2=90-0.1/(phi_TV2*FA2)-0.1*(phi_TV2*FA2)-0.2*(phi_TV2*FA2)^2

Generador de Vapor: Temperatura de flama adiabtica

Reaccin propuesta: ( CH4+2O2=CO2+2H2O ) Para este caso se tuvieron que realizar conversiones de mol akilogramo para poder ajustar el diseo de la caldera con el ciclo de potencia, teniendo en cuenta que de aqutomaremos los calores correspondientes para la caldera y el recalentador .

Balance de energa con exceso de aire: CH4+2O2+XO2exc=CO2+2H2O+XO2exc, para obtener latemperatura de radiacin de la flama

Ecuacin de radiacin de calor : q_rad=EPSILON*(sigma#/1000)*AREA_RAD*((T_RADIACION+273.15)^4-(T11_1+273.15)^4)

Absortividad: Utilizamos una tabla de propiedades del ACERO INOXIDABLE LIMPIO DECAPADO

Diseo de caldera: cbica

Diseo del rea de conveccin: por el mtodo MLDT

Coeficiente de transferencia de calor global:U, para un arreglo triangular contracorriente.

Malfunciones: se hace variar la eficiencia general en toda la planta con 10%, en cada factor involucrado en eldesempeo, esto con la finalidad de hacer estimaciones acertadas en base a este porcentaje.


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El programa contiene 156 ecuaciones con 156 variables, que pueden ser consultadas en la hoja de clculo delEES.

Comprobamos que el sistema de unidades este correctamente determinado:

Checamos que no tengamos errores de unidades:

Solicitamos al programa la solucin y obtenemos los resultados, verificamos que los valores obtenidosconcuerden con los valores esperados.


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La modificacin realizada en el programa para la integracin del cdigo del condensador fue la siguiente:

Se observa que las modificaciones fueron mnimas, ahora solamente la presin depende de la temperatura deentrada al condensador, y tambin, se calcula el flujo msico de agua necesario para extraer la cantidad de calor

liberada en el condensador junto con el nmero de tubos necesarios para llevar a cabo este proceso. Todo estocon base en el cdigo generado anteriormente para un condensador en el EES.

Al comparar los resultados de los cdigos de la caldera integrado al del ciclo de potencia podemos comprobarque los valores son los mismos en cuanto a flujo msico de refrigeracin y nmero de tubos en el condensador,as como que ahora el cdigo del ciclo de potencia nos arroja la presin a la entrada del condensador


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Ya avanzando a situaciones ms reales ahora se integr el calentador cerrado dando una U=2.5 Kw/K, delmismo modo el flujo msico de la extraccin en la turbina quedo en funcin del nmero de tubos obtenidomediante un anlisis rpido siendo 94 el nmero de tubos para el intercambiador cerrado. Aunado a esto lapresin de vaco del condensador quedo en funcin del nmero de tubos necesarios para el intercambio de calor,siendo el nmero nominal 7355


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Para terminar con el simulador del ciclo de potencia de la instalacin ahora slo se definieron el trabajo total yla eficiencia de la planta, siendo los siguientes

Ya sabiendo que el trabajo neto obtenido es cercano a los 120 kW (W_TOTAL=119950.4186 kW) y unaeficiencia de EFF_TOTAL=0.3533, en dicho trabajo total se consideran algunas perdidas en los procesos de

obtencin de energa ya que la suma de trabajos se multiplica por un factor de 0.9 como medida de correccin.Ahora nos dispondremos a analizar las posibles mal funciones generadas por el decremento de algunosparmetros los cuales en casos reales no son constantes con el tiempo debido a ciertos factores que no se puedencontrolar a lo largo del tiempo, del mismo modo se visualizar el hecho de como al variar ciertos valorespodemos obtener mejoras o perdidas energticas en la planta. Dichas malfunciones se presentan en la siguientetabla:

Parmetro Valor

Nominal

[Unidades]

Aumento o

Decremento

Diferencia

de Trabajo

Total wT

[kWa]

Porcentaje

de cambio

en TrabajoNeto [%]

Variacin

en la

eficiencia[%]

Cada de presin en

Recalentador

(DPRH)

69.97 [kPa] +10% -176.2 -0.1469 -0.03155

-10% 173.8 0.1449 0.03108

Cada de presin en

Caldera 1600 [kPa] +10% -1.02 -0.0008505 -0.002391


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(DPSH )

-10% 1.02 0.0008505 0.002391

Eficiencia Bomba 1(EFF_BOMBA1) 80 [%] +10% -0.4321 -0.0003602

-0.0001414

-10% 0.5281 0.0004403 0.0001727

Eficiencia Bomba 2

(EFF_BOMBA2) 80 [%] +10% -10.84 -0.009037 -0.01223

-10% 13.25 0.01105 0.01495

Eficiencia primera

etapa de expansin enTurbinas

(eff_TV1 )

86.51 [%] +10% 3217 2.682 0.459

-10% -3163 -2.637 -0.4688

Eficiencia segunda

etapa de expansin en

Turbinas

(eff_TV2 )

89.57 [%] +10% 1872 1.561 0.333

-10% -1872 1.561 -0.333

Eficiencia tercera

etapa de expansin en

Turbinas

( eff_TV3 )

89.67 [%] +10% 1160 0.9669 0.3303

-10% -1118 -0.9321 -0.3187

Eficiencia cuarta etapa

de expansin en

Turbinas

( eff_TV4)

89.91 [%] +10% -

-

- -

-10% - - -

Flujo msico inicial

(m1)

100 [kg/s] +10% 10563 8.823 -0.1306

-10% -10801 -9.005 0.1139

Nmero de tubos del

intercambiador

cerrado

(NUM_TUBOS_Cal)

94 [tubos] +10% 679.7 0.5667 0.03867

-10% -666.7 -0.5558 0.03985

Nmero de tubos del

condensador 7355 [tubos] +10% 630.3 0.5255 0.9129


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(NUM_TUBOS_COND)

-10% -780.5 -0.006506 0.3674

Nmero de tubos deprimer zona de

conveccin en caldera

(NUM_TUBOS_CONV1)

893.5

[tubos]

+10% - - -

-10% - - -

Nmero de tubos de

segunda zona de

conveccin en caldera

(NUM_TUBOS_CONV2)

4193 [tubos] +10% - - -

-10% - - -

Nmero de tubos en

zona de radiacin de la

caldera

(NUM_TUBOS_RAD)

429.1

[tubos]

+10% - - -

-10% - - -

Coeficiente de flujo

msico en la etapa 1

de turbinas

(phi_TVAP)

0.34304 +10% 10563 8.8 -0.1306

-10% -10801 -9.005 0.1139


msico en la etapa 2

de turbinas

(phi_TV2)

1.07428 +10% 656.5 0.5474 -0.01667

-10% -791.3 -0.6597 0.5862

Coeficiente de flujomsico en la etapa 3

de turbinas

(phi_TV3)

3.8149 +10% 159.1 0.001326 -0.001189

-10% -234.9 -0.1958 0.1207


msico en la etapa 4

de turbinas

(phi_TV4)

6.5666 +10% 391.3 0.3262 -0.07038

-10% -470.2 -0.392 -0.008394

Coeficiente Global de

Transferencia de Calor

en la Caldera (U)

0.125

[kW/m2K] +10%

780.5 0.6506 0.2241

-10%-780.5 -0.6506 -0.2241



del intercambiador

cerrado (U_cal)

2.5

[kW/m2K]

+10%

-666.7 -0.5558 0.05622

-10%

679.7 0.5667 -0.04997



del condensador

(U_con)

3.5

[kW/m2K]

+10%

630.3 0.5255 0.1861

-10%

-780.5 -0.6506 -0.2241


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Entre los aspectos a destacar se observa que: Al disminuir las cadas de presin en los generadores de calor como es de esperarse se obtienen

aumentos significativos en el trabajo obtenido, sin embargo, estos son casi despreciables con lascantidades de potencia que se manejan. Del mismo modo al aumentar las cadas de presin estas varanlinealmente respecto a los aumentos de presin y del mimos modo son casi despreciables.

Caso contrario a lo pensado al aumentar las eficiencias de las bombas el trabajo neto y la eficienciaglobal disminuyen, esto puede ser debido a decimales perdidas por parte del EES ya que las variacionesson mnimas, o bien, que se estn eliminando irreversibilidades en forma de transferencia de calor en lasbombas

En comparacin con las bombas al aumentar la eficiencia de la expansin en las turbinas, el trabajodesarrollado por el sistema se ve aumentado as como la eficiencia del sistema aumentando ms del 2%la cantidad de trabajo neto y casi .5% la eficiencia total se visualiza que el aumento es mayor cuando seelevan las eficiencias ms bajas, de manera obvia y siendo el caso contrario al disminuir las eficienciasde las turbinas el trabajo neto disminuye as como la eficiencia total del ciclo de potencia

Al contar con un aumento del flujo msico total en nuestro sistema, la potencia desarrollada por lasturbinas como es de esperarse ser mayor esto debido a que los trabajos desarrollados son directamenteproporcionales al flujo msico con el que se cuenta, sin embargo, las eficiencias se ven disminuidasdebido a que se necesita una mayor cantidad de calor para calentar el agua con la que se cuenta y eltrabajo desarrollado por las turbinas no es el suficiente para compensar esta adicin extra de calor

Al variar los tubos se destaca los cambios en la eficiencia al modificar los del condensador ya que deeste parmetro depende la presin de vaco y como es de esperarse al aumentar el nmero de tubos lapresin disminuye aumentando con ello la eficiencia del ciclo como es de esperarse acorde a la teoravista en clases, mientras que al variar los tubos de la caldera se generan problemas en el programa yaque estos parmetros no son independientes, siendo nun nmero especfico para garantizar latransferencia de calor

Como es de esperarse al aumentar los coeficientes de flujo msico el trabajo total desarrollado se veaumentado considerablemente, obteniendo hasta un 8.8% de aumento y un decremento del 9.9% deltrabajo total obtenido al variar el coeficiente de apertura en la primer etapa de las turbinas, sin embargo,

la eficiencia de nuestro ciclo se ve reducida hasta en un .13% al aumentar los factores de apertura debidoa que esto involucra un ligero aumento en el flujo msico he ah el porqu se desarrolla ms trabajo yporque la eficiencia disminuye, y viceversa, al reducir los coeficientes las eficiencias aumentan y eltrabajo desarrollado disminuye ya que se trabaja con un flujo msico menor

Al variar los coeficientes de transferencia de calor genera un cambio casi insignificatvo en trabajo neto yeficiencias, el verdadero cambio se ve en la cantidad de tubos a utilizar reducindose entre un 5 y un 10% cuando aumenta el coeficiente y viceversa cuando se reducen teniendo un impacto en los costos de laplanta

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