TAREA ACADEMICA 4

TAREA ACADEMICA 4:

Ciclo de Potencia de Vapor-Ciclo Rankine

CURSO:

TERMODINAMICA APLICADAINTEGRANTES:

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CASTILLO ARONI, Hctor ECHEVARRA GUIBOVICH, Estefana HURTADO ACHARTE, Cristen LOVERA BENAVENTE, Paola MONTENEGRO CAMINO, Jos SIFUENTES GARCA, JonathanLima Mayo 2011

CICLO DE POTENCIA DE VAPOR CICLO RANKINE Termodinmica Aplicada

INDICEResumen Introduccin Marco Terico Datos y Clculos .. . 3 4 5 9 14 . . 15 16

Conclusiones y Recomendaciones Bibliografa Anexos .

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RESUMEN

El objetivo del presente trabajo es exponer todos los aspectos y temas relacionados con el ciclo de Rankine. Por ejemplo, la sistematizacin del ciclo termodinmico de Rankine y la relacin e influencia que tiene este ciclo con el funcionamiento de las bombas, turbinas, calderas, condensadores y en centrales trmicas. Por otro lado, se resolver un problema relacionado con el rendimiento que este ciclo tiene en un sistema. Adicionalmente se presentarn algunas mejoras en el rendimiento de ciclo de Rankine real, como el sobrecalentamiento, modificaciones de presin y temperatura al inicio y trmino de la expansin, recalentamiento, regeneracin y ciclo binario. Finalmente, se presentarn de los temas tratados. algunos anexos que se

consideran importantes y relevantes para una mejor comprensin

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I. INTRODUCCIN.En ingeniera, las instalaciones de potencia junto con las centrales hidroelctricas, producen virtualmente toda la energa elctrica y mecnica utilizada mundialmente. El estudio de las centrales trmicas de vapor se basa principalmente en el fluido de trabajo que se vaporiza y condensa alternativamente. El ciclo de Rankine est presente en todas las plantas generadoras de potencia con vapor. Este ciclo se describe como un recurso para emplear las caractersticas del agua como un fluido de trabajo y manejar los cambios de fases entre lquido y vapor. Este ciclo est comprendido en mquinas como las bombas, las calderas, las turbinas y los condensadores. En 1859, William John Macquorn Rankine, un reconocido e importante ingeniero y fsico escocs nacido en Edimburgo, public el libro Manual of Steam Engine , en el cual podemos encontrar importantes contribuciones a la termodinmica estableciendo el ciclo que lleva su nombre (ciclo de Rankine) para el funcionamiento de las mquinas de vapor, e ideando la escala de temperaturas Rankine. El Ciclo de Rankine es un ciclo termodinmico que tiene como objetivo la conversin de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia que, como cualquier otro ciclo, tiene una eficiencia que est acotada por la eficiencia termodinmica de un Ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos trmicos. Este ciclo es el ideal que sirve de base al funcionamiento de las centrales trmicas, las cuales producen gran parte de la energa elctrica que consume el mundo. La evolucin de estas centrales ha estado condicionada por la bsqueda de diversas mejoras en el rendimiento trmico del ciclo, ya que incluso pequeas mejoras en el rendimiento significan, con respecto a los costos, grandes ahorros en los requerimientos de combustible. La idea bsica detrs de todas las modificaciones para incrementar el rendimiento de un ciclo de potencia es aumentar la temperatura promedio a la cual el calor se transfiere al fluido de trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio a la cual el fluido de trabajo cede calor al condensador. Esto se consigue con una seleccin cuidadosa de las condiciones de operacin de la caldera (presin y temperatura a la que genera el vapor), y del condensador (presin de operacin), as como con la incorporacin de recalentamientos entre diferentes etapas de expansin y calentamientos regenerativos del agua de alimentacin.

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II. MARCO TEORICO.II.1. Definicin del Ciclo de Rankine. El ciclo de Rankine, es producto de la eliminacin de ciertos aspectos imprcticos del ciclo de Carnot, por medio de sobrecalentar el vapor en una caldera y condensndolo por completo en un condensador. Este ciclo trmico tiene el principal objetivo de convertir el calor en trabajo, constituyndose as, un ciclo de potencia, cuya eficiencia est acotada por la eficiencia termodinmica de un ciclo de Carnot. (Ver Anexo 1 y 2) II.2. Diagrama T-S del Ciclo de Rankine. Este diagrama est formado por 4 procesos, de los cuales dos son isentrpicos y los otros dos son isobricos. En el proceso isentrpico los equipos que operan son la bomba y la turbina (adiabticos e internamente reversibles). Por otro lado, la caldera y el condensador operan sin prdidas de carga y por ende sin cadas de presin.

Procesos isentrpicos

Procesos isobricos

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Los estados principales del ciclo se encuentran definidos con los nmeros del 1 al 4, siendo estos:

1: Vapor sobrecalentado 2: Vapor saturado 3: Lquido saturado 4: Lquido comprimido

Estados principales del ciclo

II.2.1. Procesos internamente reversibles: y Proceso 1-2. Expansin isentrpica en una turbina. Expansin isentrpica del fluido de trabajo en la turbina desde la presin de la caldera hasta la presin del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma. Proceso 2-3. Rechazo de calor a presin constante en un condensador. Transmisin de calor a presin constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeracin, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de lquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin prdidas de carga. Proceso 3-4. Compresin isentrpica en una bomba. Compresin isentrpica del fluido de trabajo en fase lquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presin del fluido de trabajo hasta el valor de presin en caldera. Proceso 4-1. Adicin de calor a presin constante en una caldera. Transmisin de calor hacia el fluido de trabajo a presin constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturacin, luego tiene lugar el cambio de fase lquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presin es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo.

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II.3. Principales transferencias de Calor y Trabajo.

Las principales transferencias de calor y trabajo estn sealadas en el grfico. La realizacin de este trabajo se ha tomado como transferencias positivas de energa las que estn indicadas con flechas en nuestro grfico. Los componentes de la central y su entorno originan prdidas inevitables de calor, que son ignoradas para simplificar el7


procedimiento. La variacin de la energa cintica y potencial se considera despreciable. Cabe resaltar que cada componente se analiza en estado estacionario. El uso de los principios de conservacin de masa y energa, unido con las idealizaciones antes mencionadas nos permite desarrollar expresiones para la energa transferida en los equipos que se muestran en la grfica. II.3.1. Proceso en cada equipo: Turbina. El vapor que se genera por la caldera, que est a presin y temperatura elevadas, se expande a travs de la turbina para producir trabajo y de sta manera el vapor se descarga en el condensador a baja presin. Condensador. Aqu se transfiere calor del vapor al agua de refrigeracin que circula en un flujo separado. A consecuencia el vapor se condensa y la temperatura del agua de refrigeracin tiende a aumentar. Bomba. El lquido que procede del condensador, es bombeado desde la presin ms alta de la caldera. Caldera. El fluido de trabajo completa un ciclo cuando el lquido que procede de la bomba se calienta hasta la saturacin y se evapora en la caldera.

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III. DATOS Y CLCULOS.

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IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

ANEXOSANEXO 1. EL CICLO DE RANKINE REAL.El ciclo ideal no considera ni las prdidas por transmisin de calor, ni las prdidas de carga en los conductos; sin embargo, en el ciclo real s se consideran. Adems, en este ciclo ms realista, los procesos en la bomba (compresin) y en la turbina (expansin) no seran isoentrpicos y el condensador y la caldera apareceran prdidas de presin. Estas prdidas energticas provocaran que el diagrama T-S de un ciclo Rankine real se vea as:

Todo ello generara una reduccin del rendimiento trmico del ciclo. El rendimiento isoentrpico de la turbina, que representa el grado de alejamiento de una turbina respecto al proceso ideal isoentrpico, jugara un papel principal en las desviaciones al ciclo ideal y en la reduccin del rendimiento. Toda esta disminucin en el

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rendimiento ha llevado a la bsqueda de mecanismos para mejorar el rendimiento trmico del ciclo, es decir, la constante bsqueda de mejoras para este.

ANEXO 2. MEJORAS EN EL CICLO DE RANKINE.Estas mejoras se realizan generalmente en centrales trmicas, estas son 4: Sobrecalentamiento: Esta mejor es simple, ya que solo consiste en calentar el agua en la caldera hasta que llegue a un punto de mayor temperatura que la temperatura de saturacin. De esta forma se llega a un ciclo donde el vapor al inicio de expansin est saturado, a uno donde est sobrecalentado. El ciclo de Rankine con sobrecalentamiento se conoce tambin como ciclo de Hirn. Ya sea en un ciclo real o ideal, el sobrecalentamiento siempre aumenta el rendimiento del ciclo debido al ensanchamiento del salto entlpico que produce. Para una misma temperatura de final de expansin, y manteniendo constantes las presiones P1 y P4, la entalpia de inicio de expansin aumenta al aumentarla temperatura. De esta forma se logra incrementar el trmino (h1 - h4) en la expresin para el rendimiento, con el consecuente incremento del rendimiento. Puede entenderse ms fcilmente mirando la segunda expresin para el rendimiento, en funcin de las temperaturas: al aumentar la temperatura de inicio de expansin, aumenta el promedio de las temperaturas durante la absorcin de calor, y por lo tanto tambin aumenta el rendimiento. El incremento de la temperatura de inicio de expansin se consigue con la adicin de un sobrecalentador, que es un intercambiador de calor. Al conjunto de ambos intercambiadores se le llama Generador de Vapor. Aunque el rendimiento del ciclo aumenta, el uso de dos intercambiadores requiere de ms combustible. Por lo tanto, implica mayor liberacin de gases de escape y esto no sera un gran contaminante del medo ambiente. Modificaciones de presin y temperatura al inicio y trmino de la expansin: As como el uso de vapor sobrecalentado en lugar de vapor saturado al inicio de la expansin produce un aumento en el rendimiento, tambin pueden producirlo: y y y El aumento de la presin de inicio de expansin. La disminucin de la presin de trmino de expansin. El aumento de la temperatura de inicio de expansin, ms all del sobrecalentamiento.

Recalentamiento: Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansin. Esto es, tener varias etapas de turbina, llevando a condiciones de10


sobrecalentamiento mediante recalendatores (Moisture Steam Reheaters en el caso de centrales nucleares) y de economizador. Este escalonamiento de la expansin da lugar a los cuerpos de alta, media y baja presin de turbina. Regeneracin: En esta modificacin se introduce un nuevo elemento al ciclo, un calentador abierto. Este elemento consiste en un intercambiador de calor por contacto directo, en el cual se mezclan dos corrientes de agua para dar una corriente de temperatura intermedia. De estas dos corrientes que entran al calentador una proviene de una extraccin de vapor de la turbina y la otra del condensador (sufre la expansin total). Como las presiones en el calentador han de ser iguales, se aade una bomba despus del condensador para igualar la presin de la parte del vapor que ha sufrido la expansin completa a la de la extraccin. En esta variacin del ciclo de Rankine, encontramos ventajas respecto al ciclo simple como un aumento del rendimiento y una reduccin del aporte de calor a la caldera. Pero por otro lado tambin encontraremos inconvenientes como una reduccin de la potencia de la turbina y un aumento de la complejidad de la instalacin, ya que aadiremos a la instalacin una bomba ms y un mezclador de flujos. Una variante de la tcnica anterior es precalentar el agua con la fraccin de vapor extrada, pero no en un intercambiador de calor abierto, sino en uno cerrado. Este intercambiador puede ser simplemente del tipo tubos y carcasa, y tiene la ventaja de que, al no haber mezcla entre el agua y el vapor, ambas fracciones de flujo pueden trabajar a presiones distintas.

V. BIBLIOGRAFIALibro: Fsica Universitaria. Volumen 1. Sears Zemansky Young Freedman. Libro: Fundamentos de Termodinmica Tcnica. M. J Moran, Howard N. Shapiro. y Libro: Termodinmica. Yunus A. Cengel. Michael A. Boles.

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