Ciclo rankine
Ciclo rankine
INTRODUCCION:La generacin de potencia elctrica es imprescindible
para que la industria opere. Las plantas de potencia a vapor
producen una potencia neta, a partir de una fuente de energa, la
cual puede ser la combustin de combustibles fsiles o la fisin en un
reactor nuclear. CICLO RANKINE SIMPLE:
PROCESOS DEL CICLO RANKINE
1. Compresin isentropica (adiabtica reversible) en una bomba
Proceso 1-2.2. Calentamiento a presin constante en un generador de
vapor proceso 2-3.3. Expansin isentropica en una turbina proceso
3-4.4. Enfriamiento a presin constante en un condensador proceso
4-1 RENDIMIENTOS DE MQUINAS BITERMASLos ciclos con circulacin son
sistemas abiertos interconectados, que realizan procesos
estacionarios. Ciclos de potencia: objetivo, producir trabajo
Ciclos frigorficos: objetivo, extraer calor de un Tf < T0
Bomba de calor: objetivo, comunicar calor a un Tc > T0
FLUIDOS EMPLEADOS EN CICLOS DE VAPOR Criterios de eleccin del
fluidoSeguridad: no txico, ininflamable, no explosivo, no
irritanteCoste de la inversin y operacin: precio barato; alto calor
latente de vaporizacin (menor tamao, luego menor coste); presiones
de saturacin ni muy altas ni muy bajas en el rango de temperaturas
(presiones extremas aumentan el coste de la
instalacin)Mantenimiento: insoluble en lubricantes, inactivo
qumicamente, no corrosivoCondiciones fisicoqumicas: no debe
solidificar en el rango de T; baja viscosidad (reduce
irreversibilidades)...
Fluidos empleadosCiclos de potencia: casi siempre agua, cumple
todos los requisitos. Tratamiento qumico: desalinizacin, eliminacin
de O2 disuelto, eliminacin de microorganismosCiclos frigorficos y
bomba de calor: flor-cloro-carbonos (freones), han desplazado al
NH3 por su no toxicidad; efectos medioambientales indeseablesCiclo
ideal prctico: Ciclo de RankineEn la Figura 14.2 se muestra el
ciclo ideal prctico con vapor, llamado ciclo de Rankine. Se
sustituyen los procesos isotermos de absorcin o cesin de calor por
procesos isobaros (que sern tambin isotermos en parte, por tratarse
de un vapor).
En un ciclo de potencia con vapor las etapas son las
siguientes:12: expansin adiabtica en turbina. Hay un lmite prctico
en el ttulo del estado 2 (por erosin de los labes de turbina,
debida a la presencia de gotas de lquido): x2 > 0,85. Aqu se
pro- duce la gran parte del trabajo del ciclo.23: condensacin
isobara en condensador. El calor retirado se vierte al foco fro
(refrigerante). Por razones prcticas, la condensacin se efecta
hasta el final (lquido saturado).34: compresin adiabtica en bomba.
El fluido comprimido es un lquido, no una mezcla bifsica. El
trabajo consumido es muy pequeo, comparado con el obtenido en la
turbina.41: evaporacin isobara en caldera. El calor se toma del
foco caliente (gases de combustin de un combustible, o energa de
fusin de uranio).
En un ciclo frigorfico con vapor (y en una bomba de calor) las
etapas son las siguientes:12: compresin adiabtica en compresor. Se
comprime un gas, no un vapor hmedo (se evita el fenmeno de la
cavitacin). Aqu se produce el consumo de trabajo.23: condensacin
isobara en condensador. Se expulsa calor al foco caliente (el
ambiente en un ciclo frigorfico; el local que se quiere calentar en
una bomba de calor).34: derrame adiabtico en vlvula. Por los
problemas de cavitacin, se renuncia a la pequea cantidad de trabajo
que se podra obtener en una turbina.41: evaporacin isobara en
evaporador. El calor se toma del foco fro (la cmara frigorfica en
ciclos frigorficos; el ambiente en bombas de calor). Por razones
prcticas, la evaporacin se realiza hasta el final (vapor
saturado).Irreversibilidades en un ciclo real
Turbina y bombaIrreversibilidad interna: Procesos no
isoentrpicos (aunque sean adiabticos)Caldera:Irreversibilidad
interna: prdida de presinIrreversibilidad externa: diferencia de
temperatura con hogarCondensador:Irreversibilidad interna: prdida
de presin (mucho menos importante)Irreversibilidad externa:
deferencia de temperatura con el refrigerante (agua) El agua del
refrigerante no suele usarse: prdida Valores tpicos de las prdidas
de energa y exerga en una central trmica de carbn (8 MPa, 800 K),
relativas al combustible.
FACTORES QUE AFECTAN AL RENDIMIENTOEn la Figura 14.4 se muestra
el diagrama de Mollier (entalpa-entropa) de un ciclo de Rankine
sim- ple (ciclo 12341). Si despreciamos el trabajo de la bomba, h1
h4 h1 h3. Por tanto, el rendimiento energtico del ciclo ser:
tan es la pendiente de la isobara en el condensador: es la
temperatura del condensador.tan es la temperatura media del vapor
en la caldera, es decir, la temperatura a la que se producira el
intercambio de calor de manera reversible:
Por tanto, el rendimiento trmico de un ciclo de Rankine se puede
expresar en funcin de la temperatura media del vapor en la caldera
y el condensador:
Para mejorar el rendimiento (sin modificar el ciclo) hay tres
opciones:a) Aumento de presin en caldera (estado 1): aumenta el
ngulo .b) Sobrecalentamiento del vapor (estado 1): aumenta el ngulo
.c) Reduccin de presin en condensador: disminuye el ngulo .
AUMENTO DE PRESIN EN CALDERAEl inconveniente del aumento de la
presin del vapor en la caldera (1) es que el vapor de escape de la
turbina (2) tenga ttulo bajo, lo que provoca erosin el los labes de
la turbina. La norma de proyecto es x2 > 0,85.Existen algunas
centrales supercrticas (> 22 MPa), en las que la evaporacin se
realiza sin burbujeo.SOBRECALENTAMIENTO DEL VAPORSi se produce
vapor sobrecalentado (1) en vez de vapor saturado (1), se aumenta
la temperatura media del vapor en la caldera, y adems se evitan los
ttulos bajos a la salida de la turbina (2).El lmite de
sobrecalentamiento del vapor lo impone la resistencia trmica del
material en los tubos de la caldera (resistencia mecnica y
resistencia a la oxidacin): aceros al carbono 370 C, ferrticos 540
C, austenticos (inoxidables) 650 C. La decisin del material se
realiza por estudios econmicos.Las centrales de vapor con
combustible fsil suelen trabajar en la caldera a 16-17 MPa, 540 C.
Las centrales nucleares operan a temperaturas menores; las hay de
agua en ebullicin (producen vapor saturado) o de agua a presin
(supercrticas).
REDUCCIN DE PRESIN EN CONDENSADORLa temperatura de condensacin
del vapor es superior a la del sistema de enfriamiento de que se
disponga (mar, ro, torre de enfriamiento). Los intervalos
habituales son 3045 C (corresponde a presiones de saturacin de
4,210 kPa).
MODIFICACIONES PARA MEJORAR EL RENDIMIENTOCICLOS CON
RECALENTAMIENTOEn ciclo de Rankine simple: Aumento de P caldera:
inconveniente, bajo ttulo salida turbina Sobrecalentamiento de
vapor: lmite, temperatura del materialCombinacin de los dos
efectos: Dividir la expansin de turbina en dos etapas
Recalentamiento intermedio del vapor
Comparacin del ciclo original con el de recalentamiento:
CICLOS REGENERATIVOSPara precalentar el agua de entrada a la
caldera: Mejora la temperatura media termodinmica en la calefaccin
Reduce irreversibilidad externa en calderaRegeneradores abiertosSon
calentadores de contacto directo (de mezcla): el agua del
condensador se calienta con una purga de la turbina (extraccin o
sangra).
Diseo: salida del calentador es lquido saturado (o ligeramente
subenfriado: hasta 3 C): de ah, caudal de la sangra. Balance
entlpico en el calentador:
Se usa como desaireador o desgasificador: P ~ 2 bar Aire que
entra en condensador (a vaco!) Agua descompuesta en H2 y O2 a altas
temp: muy oxidante Slo una salida: lquidoVentajas de los
regeneradoras abiertos: Sencillez: bajo precio Mejora el
rendimientoInconvenientes: Dos bombas Dificultad de mezcla:
burbujeo de vapor en lquido
Calentadores cerradosSon intercambiadores de calor tipo carcasa
y tubos.El vapor extrado condensa en el exterior de los tubos: el
agua de alimentacin a la caldera se precalienta.
-Dos posibles diseos:
En la salida del calentador (6) es lquido subenfriado; aguas de
condensado: lquido saturado o ligeramente subenfriado.Balance
entlpico en el calentador:
Ventajas de los calentadores cerrados: Diferentes presiones en
purgas y agua de alimentacin Mejora el rendimiento Facilidad de
intercambio de calor
Inconvenientes: Equipo ms caroCalentadores mltiplesVarios
calentadores mejoran el rendimiento.Eleccin del nmero: criterios
econmicos.Uno abierto (desaireador), resto cerrados.Clculo de
fracciones extradas: balances energticos en cadena, empezando por
el regenerador de mayor presin.Eleccin de presiones de sangras: se
suele dividir el calentamiento en tramos iguales de T.
