Semana 10 - Ciclo Rankine (1)
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23/05/2015 1 CICLO RANKINE (PLANTA CON TURBINA A VAPOR) Mag. Ing. Omar Bejarano Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Ambiental TERMODINÁMICA 2 Objetivos • Analizar ciclos de potencia de vapor en los cuales el fluido de trabajo se evapora y condesa alternadamente. • Analizar la generación de potencia acoplada con el proceso de calentamiento llamada cogeneración. • Investigar maneras de modificar el ciclo Rankine básico de potencia de vapor para incrementar la eficiencia térmica del ciclo • Analizar los ciclos de potencia de vapor con recalentamiento y regeneración. • Analizar ciclos de potencia que consisten en dos ciclos separados conocidos como ciclos combinados y ciclos binarios.
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ciclo rankine
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23/05/2015
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CICLO RANKINE
(PLANTA CON TURBINA A VAPOR)
Mag. Ing. Omar Bejarano
Universidad Nacional de Ingeniería
Facultad de Ingeniería Ambiental
TERMODINÁMICA
2
Objetivos
• Analizar ciclos de potencia de vapor en los cuales el
fluido de trabajo se evapora y condesa
alternadamente.
• Analizar la generación de potencia acoplada con el
proceso de calentamiento llamada cogeneración.
• Investigar maneras de modificar el ciclo Rankine
básico de potencia de vapor para incrementar la
eficiencia térmica del ciclo
• Analizar los ciclos de potencia de vapor con
recalentamiento y regeneración.
• Analizar ciclos de potencia que consisten en dos ciclos
separados conocidos como ciclos combinados y ciclos
binarios.
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EL CICLO DE VAPOR DE CARNOT
Diagrama T-s para dos ciclos de vapor de Carnot..
El ciclo de Carnot es el más eficiente de los ciclos que operan entre dos límites específicos
de temperatura, pero no es un modelo adecuado para los ciclos de potencia, por que:
Proceso 1-2 La limitación de la adición de calor para sistemas de dos fases se limita a la
temperatura máxima que se puede emplear en el ciclo (374°C para el agua)
Proceso 2-3 La turbina no puede manejar un alto contenido de humedad, el choque de las
gotas liquidas sobre los álabes de la turbina producen erosión (cavitación)
Proceso 4-1 No es práctico diseñar un compresor que maneje dos fases.
El ciclo en (b) no es adecuado ya que requiere la compresión isentrópica a presiones
extremadamente altas y la transferencia de calor isotérmica a presiones variables.
1-2 Adición de calor
isotérmica a la caldera
2-3 Expansión
isentrópica en la turbina
3-4 Rechazo de calor
isotérmica en el
condensador
4-1 Compresión
isentrópica en el
compresor.
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Daños
sufridos en
una turbina
hidráulica tipo
Francis por
efectos de
cavitación.
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CICLO RANKINE: EL CICLO IDEAL PARA
LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR
Es posible eliminar muchos de los aspectos
imprácticos asociados con el ciclo de Carnot,
si el vapor es sobrecalentado en la caldera y
condesado por completo en el condensador.
Lo que resulta es el ciclo Rankine, el cual es
el ciclo ideal para las centrales eléctricas de
vapor. Este ciclo no incluye ninguna
irreversibilidad interna.
El ciclo Rankine
ideal simple.
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Análisis de energía del ciclo Rankine ideal
La eficiencia de conversión de las
centrales se expresa a menudo en
términos de la tasa térmica, que
es la cantidad en BTU de calor
suministrada para generar 1
𝑘𝑊ℎ de electricidad. La eficiencia térmica también puede interpretarse
como la relación entre el área encerrada por el ciclo
en un diagrama 𝑇 − 𝑠 y el área bajo el proceso de
adición de calor. Esto solo es valido solo para
procesos reversibles. (Rankine ideal)
Ecuación de energía de flujo estacionario - FEES
𝜂𝑡é𝑟 =3412 (𝐵𝑡𝑢/𝑘𝑊ℎ)
𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 (𝐵𝑡𝑢/𝑘𝑊ℎ)
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DESVIACIÓN DE LOS CICLOS DE POTENCIA
DE VAPOR REAL VS IDEAL
(a) Desviación del ciclo real de potencia de vapor con respecto del ciclo Rankine ideal.
(b) Efecto de las irreversibilidades de la bomba y la turbina en el ciclo ideal.
El ciclo real de potencia de vapor difiere del ciclo Rankine ideal, como resultado de
las irreversibilidades en diversos componentes.
La fricción del fluido y las perdidas de calor hacia los alrededores son las dos fuentes
más comunes de irreversibilidades.Eficiencia isentrópicas
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¿CÓMO INCREMENTAR LA EFICIENCIA DEL
CICLO RANKINE?
Efecto que causa reducir la presión del
condensador en el ciclo Rankine ideal.
La idea básica detrás de todas las modificaciones para incrementar la eficiencia
térmica de un ciclo de potencia es la misma: Incrementar la temperatura a la que se
transfiere calor a la sustancia en la caldera, o disminuir la temperatura a la cual se
rechaza el calor de la sustancia de trabajo en el condensador
Reducción de la presión del condensador (reducción de Tbaja,prom)
Para aprovechar el aumento de eficiencia a bajas
presiones, los condensadores de las centrales
eléctricas de vapor suelen operar por debajo de la
presión atmosférica. Hay un limite inferior que
depende de la temperatura de saturación del medio
de enfriamiento.
Efectos secundarios: La reducción de la presión
del condensador aumenta el contenido de humedad
del vapor en la etapas finales de la turbina
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Efecto que provoca sobrecalentar el
vapor hasta temperaturas elevadas
en el ciclo Rankine ideal.
Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas
(incremento de Talta,prom)
El área sombreada representa el
aumento del trabajo neto, mientras
que el área total bajo la curva del
proceso 3-3’ representa el aumento
en la entrada de calor.
El sobrecalentamiento de vapor
tiene otro efecto muy conveniente:
disminuye el contenido de humedad
del vapor a la salida de la turbina.
La temperatura de
sobrecalentamiento esta limita por
consideraciones metalúrgicas. En la
actualidad se puede alcanzar
temperaturas permisibles en las
turbinas de 620°C
aproximadamente
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Incrementar la presión en la caldera (incremento de Talta,prom)
Efecto que produce incrementar la
presión de la caldera en el ciclo
Rankine ideal.
Para una temperatura fija en la turbina
(3), el ciclo se corre a la izquierda (3’),
aumentado el contenido de humedad a
la salida de la turbina, esto se
soluciona recalentando el vapor.
Un ciclo Rankine supercrítico
Hoy en día muchas centrales
eléctricas de vapor operan a
presiones supercríticas (P > 22.06
MPa) tienen eficiencias térmicas de
alrededor de 40% con combustible
fósil, y 34% para plantas nucleares.
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CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO¿Cómo podemos aprovechar las mayores eficiencias a presiones más altas de la
caldera sin tener el problema de humedad excesiva a la salida de la turbina?
1. Sobrecalentar el vapor de agua a temperaturas altas. Limitaciones metalúrgicas
2. Expandir el vapor en la turbina en dos etapas y recalentarlo entre ellas.
El ciclo Rankine ideal con recalentamiento
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La temperatura promedio a la que se
transfiere el calor durante el
recalentamiento aumenta cuando se
incrementa el número de etapas de
recalentamiento.
El recalentamiento simple en una central
moderna mejora la eficiencia del ciclo
entre 4 a 5% mediante el aumento de la
temperatura media a la cual se transfiere
calor al vapor.
La temperatura promedio durante el
proceso de recalentamiento puede
incrementarse aumentando el número de
etapas de expansión y recalentamiento.
Sin embargo, el uso de más de dos
etapas de recalentamiento no es
práctico. El mejoramiento teórico en la
eficiencia debido al segundo
recalentamiento es cercano a la mitad del
mejoramiento debido a un solo
recalentamiento.
Las temperaturas de recalentamiento
están muy cerca o igual a la temperatura
de entrada a la turbina.
La presión de recalentamiento óptima se
acerca a un cuarto de la presión máxima
del ciclo.
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EL CICLO RANKINE IDEAL REGENERATIVO
La primera parte del proceso de
adición de calor en la caldera
sucede a temperaturas
relativamente bajas.
El calor que se transfiere durante el
proceso de 2-2’ es a una temperatura
media relativamente baja. Esto reduce la
temperatura promedio total al a que se
añade el calor, por lo tanto su eficiencia
disminuye.
Para remediar este problema se extrae
vapor de la turbina en diversos puntos.
Este vapor, que podría producir más
trabajo si se expandiera en la turbina, se
utiliza para calentar el agua de
alimentación en un dispositivo llamado
regenerador , o calentador de agua de
alimentación (CAA).
Un calentador del agua de alimentación
es un intercambiador de calor donde éste
se transfiere del vapor de agua de
alimentación mediante la mezcla de
ambos flujos (calentadores abiertos) o sin
mezclarlos (calentadores cerrados).
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Calentadores abiertos de
agua de alimentación
Un calentador abierto de agua de
alimentación CAA (o de contacto
directo) es básicamente una cámara
de mezclado en la que el vapor extraído
de la turbina se mezcla con el agua de
alimentación que sale de la bomba.
El ciclo Rankine ideal
regenerativo con un
calentador cerrado
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Calentadores cerrados de agua de alimentación
El ciclo Rankine ideal regenerativo con un calentador cerrado de agua
de alimentación
Otro tipo de calentador de agua de alimentación frecuentemente utilizado en las
centrales eléctricas de vapor es el calentador cerrado de agua de alimentación,
en el cual el calor se transfiere del vapor extraído hacia el agua de alimentación sin
que suceda ninguna mezcla. Las dos corrientes pueden estar a diferentes
presiones, ya que no se mezclan.
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Los calentadores cerrados son mas complejos debido a la red de tuberías internas, de
manera que resultan más caros. La transferencia de calor en los calentadores cerrados
no requieren una bomba independiente para cada calentador, ya que el vapor extraído y
el agua de alimentación pueden estar a presiones diferentes. La transferencia de calor
en los calentadores cerrados es menos efectiva porque no permite que los dos flujo
entren en contacto directo.
Los calentadores de
agua de alimentación
abiertas son simples y
de bajo costo, además
tienen buenas
características de
transferencia de calor.
Cada calentador abierto
requiere una bomba de
alimentación
La mayoría de las
plantas de energía de
vapor utilizan una
combinación de
calentadores abiertos y
cerrados.
Una central eléctrica de vapor con un calentador abierto y tres cerrados.
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COGENERACIÓN
Una planta simple con un proceso que
requiere calentamiento
Muchas industrias requieren la entrada de energía en forma de calor,
llamado calor de proceso. El calor de proceso en estas industrias suelen
suministrarse por medio de vapor entre 5 a 7 atm y 150 a 200°C. La
energía se transfiere al vapor quemando carbón, petróleo, gas natural, etc.
Las industrias que utilizan grandes
cantidades de calor para sus
procesos también consumen una
gran cantidad de energía eléctrica.
Es mas económico utilizar el
potencial de trabajo ya existente
para producir energía en vez de
permitir que se desperdicie.
El resultado es una planta que
produce electricidad mientras
cubre los requerimientos de calor
de ciertos procesos. (planta de
cogeneración)
Cogeneración: La producción de más de una forma útil de energía (como
calor de proceso y energía eléctrica) a partir de la misma fuente de energía.
18Una planta de cogeneración ideal.
Factor de
utilización
• El factor de utilización de una
planta de cogeneración de
turbina de vapor ideal es de
100%
• Las plantas reales de
cogeneración tienen factores
de utilización tal altos como
80%
• Algunas plantas de
cogeneración recientes
tienen factores de utilización
mas altos.
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Una planta de cogeneración
con cargas ajustables.
En los momentos de gran demanda de calor
para proceso, todo el vapor de envía a las
unidades de calentamiento, mientras que nada
se manda al condensador (m7= 0). El calor de
desecho es cero.
Si esto no es suficiente, se estrangula una
parte del vapor que sale de la caldera mediante
una válvula de expansión o de reducción de
presión VRP hasta una P6 y se envía a la
unidad de calentamiento de proceso
El máximo calentamiento de proceso se
alcanza cuando todo el vapor que sale pasa a
través de la VRP (m5= m4). Ninguna potencia
es producida.
Cuando no hay demanda de calor de proceso,
todo el vapor pasa por la turbina (m5=m6=0), y
la planta de cogeneración opera como una
central ordinaria eléctrica de vapor.
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Planta de 25MW cogeneración de vapor en la ex Unión Soviética.
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CICLOS DE POTENCIA COMBINADO DE GAS Y
VAPOR
• La continua búsqueda de eficiencias térmicas más altas ha originado modificaciones
innovadoras en las centrales eléctricas convencionales.
• Una popular modificación incluye un ciclo de potencia de gas que remata a un ciclo de
potencia de vapor, esto se denomina ciclo combinado de gas y vapor o ciclo
combinado
• El ciclo combinado que mas interesa es el ciclo de gas (Brayton) con el ciclo de vapor
(Rankine), cuya eficiencia es más alta que cualquiera de los individualmente.
• Desde el punto de vista de la ingeniería, es conveniente aprovechar las
características deseables del ciclo de turbina a gas a altas temperaturas y utilizar los
gases de escape como fuente de energía para un ciclo de vapor, como resultado se
obtiene un ciclo combinado
• En la actualidad, la tecnología de la turbina a gas ha hecho que el ciclo combinado de
gas y vapor resulte muy atractivo desde el punto de vista económico.
• Así, muchas centrales eléctricas nuevas operan en ciclos combinados, y muchas
centrales de vapor o turbina a gas existentes se están convirtiendo en centrales de
ciclo combinado.
• Como resultado de esta conversión, se han reportado eficiencias térmicas muy por
encima del 40%
22Central eléctrica combinada de gas y vapor
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Resumen
• El ciclo de vapor de Carnot
• Ciclo Rankine: El ciclo ideal para ciclo de potencia de vapor.
Análisis energético del ciclo Rankine ideal.
• Desviación de los ciclos de potencia de vapor real vs ideal.
• ¿Cómo incrementar la eficiencia del ciclo Rankine?
Reducción de la presión del condensador (reducción de Tbaja,prom)
Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas (incremento de Talta,prom)
Incrementar la presión en la caldera (incremento Talta,prom)
• El ciclo Rankine ideal con recalentamiento.
• El ciclo Rankine ideal regenerativo
Calentadores abiertos de agua de alimentación.
Calentadores cerrados de agua de alimentación.
• Cogeneración
• Ciclos de potencia combinados de gas y vapor
