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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


• 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 más comúnmente:

Bajo costo, disponibilidad y alta entalpía de vaporización

• Centrales eléctricas de vapor:

Carboeléctricas, nucleoeléctricas o centrales eléctricas de gas natural

El va por pasa por el mismo ciclo básico en todas

Ciclos de vapor

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• 1-2: calentamoento reversible e isotérmico en una caldera

• 2-3 expansión isentrópicamente en una turbina

• 3-4 condensación reversible e isotérmica en un condensador

• 4-1 compresión isentrópica mediante un compresor hasta su estado inicial

Ciclo de vapor de Carnot

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• Elevar la temperatura máxima implica la transferencia de calor hacia el fluido de trabajo en una sola fase, lo que no es fácil de realizar de modo isotérmico

• La calidad del vapor disminuye durante el proceso de expansión en la turbina (2-3). Por lo que debe manejar vapor con gotas líquidas que desgastan los álabes

• En el compresor se manejan dos fases, es impráctico comprimir líquido + vapor. También es obtener exactamente la calidad en el punto 4

• Se puede operar en ciclo de forma diferente, pero implica otros problemas aún más complicados

Ciclo de vapor de Carnot: situaciones imprácticas

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• Es 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 se condensa por completo en el condensador.

Ciclo Rankine

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• 1-2 Compresión isentrópica en una bomba.

• 2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera.

• 3-4 Expansión isentrópica en una turbina.

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

Ciclo Rankine simple

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

• Los cambios e energía cinética y potencial suelen ser pequeños, respecto del trabajo y potencial de vapor.

• Ecuación de energía de flujo.

Análisis de energía en el ciclo Rankine

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• Relación de conservación de la energía para la bomba q = 0.

Conservación de la energía para cada dispositivo

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Conservación de la energía para cada dispositivo

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Eficiencia térmica del ciclo Rankine

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• Las plantas de energía de vapor son responsables de producir la mayor parte de la energía eléctrica del mundo, un pequeño aumento en la eficiencia térmica significa grandes ahorros en los requerimientos de combustible.

• La idea básica 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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• Para aprovechar el aumento de la presión deben operar por debajo de la presión atmosférica.

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

Reducción en la presión del condensador

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• Reduce el contenido de humedad del

vapor a la salida de la turbina.

• La temperatura esta limitada por

consideraciones metalúrgicas. (620°C

1150°F)

Sobrecalentamiento del vapor a altas presiones

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• Las presiones de operación se han

incrementado

• 2.7 MPa -1922

• 30 MPa hoy en dia

• Presiones supercríticas P > 22.09 Mpa

(1000MW)

• Eficiencia 40%

El efecto de incrementar la presión de la caldera

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• ¿Cómo 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 metalúrgicamente 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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• El ciclo real difiere del ciclo ideal, como resultado de las irreversibilidades. La fricción del fluido y las pérdidas de calor hacia los alrededores son las dos fuentes más comunes de irreversibilidades

• La fricción del fluido ocasiona caídas de presión en la caldera, el condensador y las tuberías entre diversos componentes. Para compensar todas estas caídas de presión, el agua debe bombearse a una presión más alta que la que tiene el ciclo ideal

• Otra fuente importante de irreversibilidad es la pérdida 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 más calor hacia el vapor en la caldera

Desviación de los ciclos reales respecto de los idealizados

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• Las irreversibilidades en bomba y turbina son muy importantes

• En condiciones ideales, el flujo es isentrópico. La desviación existente entre bombas y turbinas reales puede tomarse en cuenta utilizando eficiencias isentrópicas:

Desviación de los ciclos reales respecto de los idealizados

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• Considere una planta de energía de 210 MW que opera en un ciclo Rankine ideal sencillo. El vapor entra a la turbina a 10 Mpa y 500°C y se enfría en el condensador a una presión de 10 kPa. Muestre el ciclo en un diagrama T-s respecto de las líneas de saturación y determine a) la calidad del vapor de salida de la turbina b) la eficiencia térmica del ciclo y c) la tasa de flujo másico 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 500°C y se enfría en el condensador a una presión de 10 kPa. Muestre el ciclo en un diagrama T-s respecto de las líneas de saturación y determine a) la eficiencia térmica del ciclo, b) la tasa de flujo másico del vapor.

Ejercicios propuestos ciclo Rankine

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• Una planta termoeléctrica de vapor de agua opera en el

ciclo Rankine con recalentamiento. El vapor entra a la

turbina de alta presión a 12.5 MPa y 550 °C, a razón de 7.7

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

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

presión. Las eficiencias isentrópicas de la turbina y la bomba

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

sale del condensador como líquido saturado. Si el contenido

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

exceder 5 por ciento, determine a) la presión de

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

eficiencia térmica.

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


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• 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 500°C and the low-pressure

turbine at 1 MPa and 500°C. 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) 88.1°C, (b) 34.1 percent, (c) 62.7 kg/s


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