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Alexánder Gómez
Termodinámica TécnicaFundamentos
Bogotá, D.C., 2011
Capítulo 7.: Ciclos de generación de potencia con turbinas de vapor
7.0 Introducción7.1 Ciclos Clausius-Rankine ideal y real7.2 Análisis termodinámico del ciclo Clausius-Rankine7.3 Optimización térmica del ciclo Clausius-Rankine7.3.1 Aumento de presión en el generador de vapor7.3.2 Sobrecalentamiento7.3.3 Recalentamiento7.3.4 Regeneración (precalentamiento del agua de alimentación)7.3.5 Disminución de presión en el condensador7.3.6 Cogeneración de energía térmica y potencia7.4 Ciclo combinado con turbinas de gas y vapor7.5 Resumen
Contenido
7.0 Introducción
Clasificación según sus aplicaciones
Calentamiento y enfriamiento
Generación de potencia
Clasificación según las sustancias de trabajo
Operación con vaporOperación con gas
7.0 Introducción
Generación de potencia
Combustión externaCombustión interna
Operación con gas Operación con vapor
MotoresTurbinas
Joule-Brayton
Motores Turbinas
Stirling Clausius-Rankine
Seiligero dual
Otto Diesel
Motores de combustión Motores térmicos
7.0 Introducción
Generación de potencia
Combustión externaCombustión interna
Operación con gas Operación con vapor
MotoresTurbinas
Joule-Brayton
Motores Turbinas
Stirling Clausius-Rankine
Seiligero dual
Otto Diesel
Motores de combustión Motores térmicos
7.0 Introducción
P
T 0
P
V
T
1
2
q 1-2 =q ent
34
q =0q = 0
q 3-4 =q sal
a b cd
qent=T (s2-s1)
qsal=T0 (s2-s1)
Ciclo de Carnot de potencia para gases (giro derecho)
7.0 Introducción
Ciclo de Carnot de potencia (con cambio de fase)
qent=T(s2-s1)
qsal=T0(s2-s1)
7.0 Introducción
¿Por qué no se utiliza el ciclo de Carnot en aplicaciones termodinámicas técnicas como la generación de potencia?
ProblemaProblema
7.0 Introducción
7.0 Introducción
Proceso Clausius-Rankine para la transformación de energía
7.0 Introducción
Planta de generación termoeléctrica con ciclo Clausius - Rankine
Sistema de combustión
Proceso Clausius-Rankine
Sistema de enfriamiento
Sistema de generación eléctrica
7.0 Introducción
Planta de generación termoeléctrica con ciclo Clausius - Rankine
7.0 Introducción
Planta de generación termoeléctrica con ciclo Clausius - Rankine
7.0 Introducción
Planta de generación termoeléctrica con ciclo Clausius - Rankine
7.0 Introducción
Planta de generación termoeléctrica con ciclo Clausius - Rankine
7.0 Introducción
¿ Cuáles son las diferencias técnicas relevantes entre los ciclos de generación de potencia con vapor y con gas a través de turbinas ?
Ciclo Clausius-Rankine ideal Ciclo Joule-Brayton ideal
34
1
2
2 3
41
7.0 Introducción
En los sistemas de potencia operando con gas:• La sustancia de trabajo no cambia de fase (permanece
como gas).
• Se utilizan altas temperaturas y presiones para la generación de potencia.
• Se llevan a cabo procesos de combustión interna.
• Se puede hacer uso de sistemas compactos con relaciones peso / potencia bajos, que facilitan su uso en aplicaciones móviles (transporte).
7.0 IntroducciónVentajas del agua en el ciclo Clausius-Rankine:
• El cambio de fase de líquido a vapor permite almacenar energía térmica de manera óptima.
• El vapor se expande como gas, pero se comprime como un líquido y el consumo de potencia para la compresión es mínimo (comparado con un gas, por ejemplo).
• Disponibilidad y costos adecuados y manejo técnico simple.
Desventajas del agua en el ciclo Clausius- Rankine:
• Baja temperatura crítica (374 °C)
7.0 Introducción
Planta de generación termoeléctrica con ciclo Clausius - Rankine
34
1
2
Turbina
Condensador
Bomba
Caldera
7.1 Ciclos Clausius-Rankine ideal y real
34
1
2
7.1 Ciclos Clausius-Rankine ideal y real
wsale
qsale
wentra
qentra
34
1
2
7.1 Ciclos Clausius-Rankine ideal y real
• Irreversibilidades en la bomba y la turbina• Fricción: caída de presión en la caldera, el condensador y tuberías.• Disipación de calor: para obtener la misma salida neta de trabajo se
debe transferir más calor en el generador de vapor.
T
s3
4
1
2
Ciclo real
Irrev. bomba
Caída de presión en el condensador
Caída de presión en la caldera
Irrev. turbina
T
3
4
1
2s
4s
2s
7.1 Ciclos Clausius-Rankine ideal y real• Inicialmente se realiza el análisis por la primera ley a cada uno de los
componentes del ciclo.
• Se tienen sistemas abiertos con flujo estable y en estado estacionario.
• Los cambios en las energías cinética y potencial del fluido son despreciables.
• Las pérdidas de presión en la caldera y el condensador se consideran despreciables.
• La bomba y la turbina son considerados como equipos isoentrópicos.
• Publicaciones especializadas permiten profundizar en el estudio de estos sistemas técnicos [1, 2, 3, 4].
7.2 Análisis termodinámico del Ciclo Clausius-Rankine
( )2112,sal hhmW −=− &&
( )4141,ent hhmQ −= &&
( )3434,ent hhmW −= &&
( )3223,sal hhmQ −=− &&
∑∑ ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++++=
••••
ss
2s
sse
e
2e
eeT 2v
2v0 gzhmgzhmWQ
rr
Primera ley de la termodinámica para sistemas abiertos estacionarios:
34
1
2
7.2 Análisis termodinámico del Ciclo Clausius-Rankine
Balance de energía de ciclos en estado estacionario:
0sistemasalidaentrada =
ΔΔ
=−∑∑ tEEE &&
0salentsalent =−+− wwqq &&&&
bombaent,turbinasal,rcondensadosal,calderaent, wwqq &&&& −=−
7.2 Análisis termodinámico del Ciclo Clausius-Rankine
Para un ciclo de potencia Clausius-Rankine:
Utilidad: trabajo neto de salida
Requerimientos: calor de entrada (caldera)
ent
sal
ent
salent
ent
bombaturbinaCRth, 1
qqq
qww
&
&
&
&&
&
&&−=
−=
−=η
ntosrequerimieutilidad
th =η
7.2 Análisis termodinámico del Ciclo Clausius-Rankine
En ciclos de potencia con vapor:
14
32
ent
sal
ent
salent
ent
bombaturbinaCRth, 11
hhhh
qqq
qww
−−
−=−=−
=−
=&
&
&
&&
&
&&η
ent
turbinaCRth, q
w≈η
turbinabomba ww && <<<
7.2 Análisis termodinámico del Ciclo Clausius-Rankine
wsale
qsale
wentra
qentra
34
1
2
ent
turbinaCRth, q
w≈η
7.2 Análisis termodinámico del Ciclo Clausius-Rankine
rev.) (proc.Tqds δ
=
41
41
41
41,entm,41 ss
hhdsq
T−−
==δ
41,m
condCRth, 1
TT
−=η
wsale
qsale
wentra
qentra
TT
01C −=η cond230 TTT ==
41,mTT =
Tm,41
Tcond
Temperatura media de transferencia de calor al ciclo Clausius-Rankine
7.2 Análisis termodinámico del ciclo Clausius-Rankine
( )teóricos12,Ts21 whh =−
( )real12,T21 whh =−
Isoentrópico:
Real:
T
4
1
2s
4s
2s
3
7.2 Análisis termodinámico del ciclo Clausius-Rankine
wsale
qsale
wentra
qentra
1’
2’
p1
p2
2r
Diagrama de Mollier: h-s
7.2 Análisis termodinámico del ciclo Clausius-Rankine
Eficiencia isoentrópica (s):
s21
'21turbs,
teóricos12,T
real'12,Tturbs, )(
)(
hhhh
ww
−−
=
=
η
η
Diagrama de Mollier: h-s
s
¿Cómo puede incrementarse la eficiencia térmica ηth del ciclo Clausius-Rankine?
entm,
cond
ent
salCRth, 11
TT
−=−=η
Aumentar el flujo de transferencia de calor al fluido en el generador
de vapor
Disminuir el flujo de calor rechazado en el condensador de
vapor
Disminución de la presión en el condensador
Sobrecalenta-miento del
vapor
Incremento de la presión en el generador
7.3 Optimización térmica del ciclo Clausius-Rankine
7.3.1 Aumento de presión en el generador de vapor
• Disminución en wneto(área 122’a)
• Aumento de la humedad en 2’
Incremento en la presión de caldera
p >2 p1
4’
2’
p2
Incremento de la presión en el generador de vapor
1’
a
• Aumento de la temperatura media Tm,ent del ciclo
• Aumento en wneto (área 44’1’a)
7.3.2 Sobrecalentamiento del vapor en el generador
1’
2’
p1
p2
• Aumento de la temperatura media Tm,ent del ciclo
• Aumento en wneto (área 11’2’2)• Incremento de calidad del vapor
en 2’
• Mayor requerimiento tecnológico (generador vapor)
• Mayor consumo de energía térmica
Sobrecalentamiento del vapor en el generador
7.3.3 Recalentamiento del vapor en el generador
)()( 3412t hhhhw −+−=−
)()( 2361ent hhhhq −+−=
2
Recalentamiento del vapor
7.3.3 Recalentamiento del vapor en el generador
Una etapa de recalentamiento aumenta la ηth entre 4 al 5 %
• Aumento de la temperatura media Tm,ent del ciclo
• Aumento en wneto (área 1’344’)• Aumenta calidad del vapor en 4
• Mayor requerimiento tecnológico (generador vapor)
• Puede requerirse mayor consumo de energía térmica
Recalentamiento del vapor en el generador
ciclo max.optimarec, 4/1 pp ≈
7.3.4 Regeneración: precalentamiento del agua
5
26
7
Regeneración: precalentamiento del agua de alimentación del generador de vapor con mezclador abierto
7.3.4 Regeneración: precalentamiento del agua
5
26
7
• Aumento de la temperatura media Tm,ent del ciclo
• Menor consumo de energía térmica (o combustibles)
• Mayor requerimiento tecnológico (mezclador)
Regeneración: precalentador abierto del agua de alimentación
7.3.4 Regeneración: precalentamiento del agua
4
1
3
5
2
y 1-y
6
8
7
267
8
Regeneración: precalentamiento del agua de alimentación del generador de vapor con intercambiador cerrado y válvula de expansión
7.3.4 Regeneración: precalentamiento del agua
• Aumento de la temperatura media Tm,ent del ciclo
• Menor consumo de energía térmica (o combustibles)
• Mayor requerimiento tecnológico (regeneración)
Regeneración: calentador cerrado y válvula de estrangulación
267
8
7.3.4 Regeneración: precalentamiento del agua
26 78
Regeneración: precalentamiento del agua de alimentación del generador de vapor con intercambiadores cerrado y abierto y bomba
78
6
9
9
7.3.4 Regeneración: precalentamiento del agua
26 78
• Aumento de la temperatura media Tm,ent del ciclo
• Menor consumo de energía térmica (o combustibles)
• Mayor requerimiento tecnológico
Regeneración: precalentadores cerrado, abierto y bomba de agua
9
7.3.5 Disminución de la presión en el condensador• Aumento de la potencia
entregada por la turbina• Disminución del calor disipado
en el condensador
• Aumento del calor requerido (área debajo de 4’4)
• Aumento de trabajo requerido en la bomba (3’-4’)
• Filtraciones de aire en el condensador (cuando p < patm)
• Disminución de la calidad en 2´
Disminución en la presión del condensador
p <2 p1
2’3’
4’ p2
Disminución de la presión en el condensador
7.3.6 Cogeneración de energía térmica y potencia
Generación de energía térmica para procesos
Cogeneración de energía térmica para procesos y potencia
ent
procesonetoCRcog, Q
QW&
&& +=η
34
1
salq&Calentador de
proceso salq&
ent
procesoQ th, Q
Q&
&=η
7.3.6 Cogeneración de energía térmica y potencia
)( 343ent hhmQ −= &&
)( 717sal hhmQ −=− &&
886655proceso hmhmhmQ &&&& −+=
)()( 747646t hhmhhmW −+−=− &&&
12
4
7
5
3 8salq&
6
Cogeneración de energía térmica para procesos y potencia
proc
7.4 Ciclo combinado con turbinas de gas y vapor
2 3
41
5 6
78
Proceso Joule-Brayton
Proceso Clausius-Rankine
Caldera recuperadora
7.5 Resumen
• Los ciclos Clausius-Rankine se utilizan para la generación de potencia por medio de turbinas de vapor de agua. Estos ciclos están compuestos por cuatro procesos principales: generación de vapor de agua a presiones elevadas; expansión del vapor de agua en la turbina; condensación del vapor y bombeo del agua para alcanzar la presión del generador de vapor.
• La eficiencia térmica de estos ciclos depende de los valores de la temperatura media del proceso de entrega de calor al fluido de trabajo y de la temperatura a la que ocurre la condensación. Esta última está determinada por la presión de trabajo en el condensador, que normalmente es menor a la presión atmosférica.
• La temperatura media del proceso de entrega de calor al fluido de trabajo puede determinarse mediante la relación entre el cambio de entalpía y el cambio de entropía del vapor de agua entre las condiciones de entrada y de salida del generador de vapor.
7.5 Resumen
• La temperatura media de entrega de calor al fluido de trabajo en los ciclos Clausius-Rankine puede incrementarse por medio del precalentamiento del agua de alimentación al generador de vapor; mediante el sobrecalentamiento y el recalentamiento del vapor deagua, principalmente. Estas medidas permiten mejorar la eficiencia térmica de estos ciclos.
• La cogeneración de potencia y de calor (energía térmica) para procesos permite incrementar la eficiencia térmica de los ciclos Clausius- Rankine.
• El uso de ciclos combinados de generación de potencia a través de los sistemas Joule-Brayton y Clausiues-Rankine permite alcanzar los niveles más altos de eficiencia térmica en los sistemas térmicos de generación de potencia.
Bibliografía
[1] Traupel, W.: Thermische Turbomaschinen, Vol. 1.; 3. edición. Berlin: Springer, 1977.
[2] Wagenbreth, O.; Duentzsch H.; Gisseler, A. Die Geschichte der Dampfmaschine. Aschendorf, 2002.
[3] Kam, W.; Priddy, P.: Power Plant System Design. New York: John Wiley & Sons, 1985.
[4] Babock & Wilkox Co.: Steam. Its generation and use. 38. edición; New York, 1975.