Nicolas Sadi Carnot (1796-1832), ingeniero y oficial en el ejrcito francs.

Escultura dedicada a la Entropa en los jardines centrales de la Universidad de Monterrey, Mxico

CICLO RANKINE DE POTENCIA MEDIANTE VAPOROBJETIVO: OBJETIVO: Analizar ciclos de Potencia de vapor en los cuales el fluido de trabajo se evapora y condensa alternadamente. alternadamente. Analizar el ciclo bsico de potencia de vapor Rankine para incrementar la eficiencia trmica del ciclo. ciclo.

1.- INTRODUCCIN 1.La mayora de las centrales generadoras de electricidad son variaciones de ciclos de potencia de vapor en los que el agua es el fluido de trabajo. En la figura 1 se muestra trabajo. esquemticamente los componentes bsicos de una central trmica de vapor simplificada. simplificada. El vapor es el fluido de trabajo usado ms comnmente en ciclos de potencia de vapor debidas a las muchas y atractivas caractersticas, como bajo costo, disponibilidad y alta entalpia de vaporizacin. vaporizacin.

2.2.- Ciclo Rankine de potenciaTodos los fundamentos necesarios para el anlisis termodinmico de los sistemas de generacin de energa elctrica, como el principio de conservacin de la masa y de la energa, el segundo principio de la termodinmica y la determinacin de propiedades termodinmicas. termodinmicas.

2.2.- Ciclo Rankine de potencia

Estos principios pueden aplicarse a los componentes individuales de una planta tales como Turbina, bombas, intercambiadores de calor, as como al conjunto de la central elctrica por complicada que sea. sea.

3.3.- El ciclo Rankine idealEl fluido de trabajo sufre la siguiente serie de procesos internamente reversibles:

3.3.- El ciclo Rankine idealProceso 1-2: expansin isentrpica 1del fluido de trabajo a travs de la turbina desde vapor saturado en el estado 1 hasta la presin del condensador. Proceso 2-3: Transferencia de calor 2desde el fluido de trabajo cuando fluye a presin constante por el condensador, siendo lquido en el estado 3.

3.3.- El ciclo Rankine idealProceso 3-4: Compresin 3isentrpica en la bomba hasta el estado 4 dentro de la zona de lquido. Proceso 4-1: Transferencia de 4calor hacia el fluido de trabajo cuando circula a presin constante a travs de la caldera, completndose el ciclo.

4.4.- Principales irreversibilidadesTurbina . La principal irreversibilidad que experimenta el fluido de trabajo est asociada con la expansin en la turbina. El calor transferido al ambiente por la turbina representa una perdida, la expansin real a travs de la turbina va acompaada de un incremento de entropa. El rendimiento de la turbina relaciona el trabajo real con el trabajo isentrpico.

h1 h2 LT ! h1 h2 s

4.4.- Principales irreversibilidadesBomba. El trabajo requerido para la bomba, para vencer los efectos del rozamiento, tambin reduce el trabajo neto producido por la planta. El rendimiento isentrpico de la bomba toma en cuenta el efecto de las irreversibilidades dentro de la bomba relacionando las cantidades de trabajo real e isentrpico.

h4 S h3 LB ! h4 h3

Diagrama temperatura-entropa temperaturaque muestra los efectos de las irreversibilidades en la turbina y bomba

5.5.- El ciclo con sobrecalentamientoEl rendimiento del ciclo Rankine ideal se puede aumentar utilizando una zona de sobrecalentamiento. Este proceso eleva la temperatura media a la que el ciclo recibe calor, aumentando tericamente el rendimiento.

5.1.5.1.- El ciclo Rankine ideal con recalentamientoUna segunda modificacin que se emplea normalmente en centrales trmicas de vapor es el recalentamiento. Con recalentamiento una central trmica puede beneficiarse del mayor rendimiento que resulta de una presin de caldera mas alta y tambin evitar el vapor de bajo ttulo a la salida de la turbina.

CENTRALES DE CICLO COMBINADO

Una opcin que est ganando terreno es el de las centrales de ciclo combinado. En este tipo de centrales el gas en combustin es el fluido que mueve directamente una turbina especial de alta velocidad, sin pasar por un circuito de vapor.

EjemploEn un ciclo Rankine con sobrecalentamiento y recalentamiento se utiliza vapor de agua como fluido de trabajo. El vapor entra en la primera trabajo. etapa de la turbina a 8,0 MPa, 480 C y se expande hasta 0,7 MPa. Este se recalienta MPa. entonces hasta 440 C antes de entrar en la segunda etapa de la Turbina, donde se expande hasta la presin del condensador de 0,008 MPa. MPa. La potencia neta obtenida es 100 MW. MW. Determinese: Determinese: (a) El rendimiento trmico del ciclo. (b) El flujo msico de vapor, en kg/h. (c) El flujo de calor Qs cedido por el vapor en el condensador, en MW.

Consideraciones1.

2. 3. 4. 5.

Cada componente del ciclo se analiza como un volumen de control en estado estacionario. Todos los procesos del fluido de trabajo son internamente reversibles. La turbina y la bomba operan adiabticamente. El condensado sale del condensador como lquido saturado. Las energas cintica y potencial son despreciables.

SOLUCINDATOS P1 =8 Mpa T1 = 480 C P2 = 0.7 Mpa T2 = 440 C P3 = 0,008 Mpa Potencia = 100 MW De tablas de vapor de agua. h1=3348,4 kJ/kg kJ/kg S1= 6,6586 kJ/kgK kJ/ Sf2 = 1,9922 kJ/kgK kJ/ Sg2 = 6,708 kJ/kgK kJ/ hf = 697,22 kJ/kg 697, kJ/kg hfg = 2066,3 kJ/kg 2066, kJ/kg h3= 3353,3 kJ/kg 3353, kJ/kg S3 = 7,7571 kJ/kgK kJ/

Formulacin de ecuacionesRendimiento

Wneto L! QsumLa potencia neta desarrollada Pneta=m(Wneto) =m(W

RespuestasRendimiento =40,3 % m = 2,363x105 kg/h

CICLO DE POTENCIA REGENERATIVOVamos a considerar cmo puede realizarse la regeneracin utilizando un calentador abierto de agua de alimentacin, que alimentacin, consiste en un intercambiador de calor de contacto directo en el cual las corrientes a diferentes temperaturas se mezclan para dar una corriente a una temperatura intermedia. intermedia.

Anlisis del cicloUn primer paso importante en el anlisis del ciclo regenerativo es el clculo de las relaciones entre flujos msicos en cada uno de los componentes.

m2 m3 ! m1Donde m1 es el flujo msico que entra en la primera etapa de la turbina en el estado 1, m2 es el flujo msico extrado en el estado 2, y m3 es el flujo msico que sale de la segunda etapa de la turbina en el estado 3. Dividiendo por m1, queda:

m2 m3 !1 m1 m1

m2 y! m1

Fraccin de masa

m3 ! 1 y m1

Anlisis del cicloLa fraccin (y) se puede determinar aplicando los principios de conservacin de masa y energa al volumen de control que define el calentador de agua de alimentacin. Asumiendo que no hay alimentacin. transferencia de calor entre el calentador y su entorno e ignorando los efectos de energa cintica y potencial. Tendremos. potencial. Tendremos.

h6 h5 y! h2 h5

El trabajo total de la turbina se expresa:

Wt ! h1 h2 y h2 h3 1 Wb ! h7 h6 y h5 h4 1 Qentra ! h1 h7 1 Qs ! y h3 h4

Ejemplo. Ejemplo.-Consideremos un ciclo de Potencia regenerativo con un calentador abierto del agua de alimentacin. alimentacin. El vapor de agua entra en la Turbina a 8,0 MPa, a 480C y se expande hasta 0,7 MPa donde 480C parte de este vapor es extrado y enviado al calentador abierto del agua de alimentacin que opera a 0,7 MPa. MPa. El resto del vapor se expande en la segunda etapa de la Turbina hasta la presin del condensador de 0,008 MPa. MPa. La salida del calentador es lquido saturado a 0,7 MPa . La eficiencia isentrpica de cada etapa de la turbina es del 85 % Si la potencia neta del ciclo es 100 MW, determinar: a) El rendimiento trmico, b) El determinar: flujo de masa de vapor que entra en la primera etapa de la turbina, en kg/h. kg/h.

SOLUCINDATOS P1 =8 Mpa T1 = 480 C Pliq-sat = 0.7 Mpa liqPcond = 0,008 Mpa Potencia = 100 MWa) b)

Flujo de masa

De tablas de vapor de agua. h1=3348,4 kJ/kg kJ/kg h2=2832,8 kJ/kg kJ/kg S1= 6,6586 kJ/kgK kJ/ S2=6,8606 kJ/kg K kJ/kg h3=h2- T(h2-h3s) =h2 (h2 h3s=2146,3 kJ/kg 2146, kJ/kg h3=2249,3 kJ/kg 2249, kJ/kg h4=173,88 kJ/kg 173, kJ/kg h5=h4+v4(p5-p4) H5=174,6 kJ/kg 174, kJ/kg h7=h6+v6(p7-p6)=705,3 kJ/kg )=705, kJ/kg

Aplicando los balances de masa y energa al volumen de control que contiene el calentador.

h6 h5 697,22 174,6 y! ! ! 0,1966 h2 h5 2832,8 174,6

Wt ! h1 h2 y h2 h3 ! 984,4 kJ/kg 1

Wb ! h7 h6 y h5 h4 ! 8,7 kJ/kg 1

Qentra ! h1 h7 ! 2643,1 kJ/kgWT Wb L! ! 0,369 Qsum L ! 36,9%

Pneto m! ! 3,69 *105 kg/h WT Wb

GRACIAS