TEMA 9. CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR · PDF file3 Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 9. Ciclos de potencia de vapor Ciclos de producción de trabajo MÁQUINAS TÉRMICAS Dispositivos

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Termodinámica Aplicada

Ingeniería Química

TEMA 9. CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

TermodinTermodináámica Aplicada 06/07mica Aplicada 06/07 Tema 9. Ciclos de potencia de vaporTema 9. Ciclos de potencia de vapor

PROCESOS INDUSTRIALES

CALOR TRABAJO Y POTENCIA

PSICROMETRÍAREFRIGERACIÓN

GENERALIDADESCICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

CICLOS POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS

ANÁLISIS PROCESOS

BLOQUE II. Análisis termodinámico de procesos industriales

TEMA 9: CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

OBJETIVOS1. Comprender el funcionamiento de las máquinas

térmicas basadas en el ciclo de Carnot y en el ciclo de Rankine ideal y los aspectos imprácticos asociados a ambos ciclos, así como el funcionamiento del ciclo real de Rankine (ciclo práctico)

2. Calcular el rendimiento térmico de los ciclos de Carnot y Rankine

3. Comprender las modificaciones que se pueden introducir en las variables de operación del ciclo de Rankine y los procedimientos de mejora que se pueden implementar para obtener un mayor rendimiento térmico del ciclo

4. Representar todos los ciclos ideales y prácticos analizados en el diagrama termodinámico T-S

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• INTRODUCCIÓN: Máquinas térmicas

• CICLO DE CARNOT

• CICLO DE RANKINE

• DESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA REALES

• MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (I)

• Reducción de la presión en el condensador

• Incremento de la temperatura de sobrecalentamiento

• Incremento de la presión de calderas

• MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (II)

• Recalentamiento intermedio

• Ciclos regenerativos



•• INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓN: N: MMááquinasquinas ttéérmicasrmicas

• CICLO DE CARNOT










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Ciclos de producción de trabajo

MÁQUINAS TÉRMICAS

Dispositivos especiales que convierten el calor en trabajo

CARACTERÍSTICAS GENERALES

1- Reciben q de una fuente de alta T (Esolar, hornos, reactores

nucleares...)

2- Convierten parte de ese q en w (normalmente en la forma de

un eje en rotación)

3- Liberan el q de desecho remanente en un sumidero de baja

temperatura (la atmósfera, ríos...)

4- Funcionan en un ciclo

El fluido al y desde el que se transfiere el calor cuando se

somete al ciclo se le denomina fluido de trabajo


Ciclos de producción de trabajo

• MÁQUINAS TÉRMICAS

• Máquinas térmicas o plantas termoeléctricas: utilizan un

fluido secundario en la expansión (vapor) y generan

electricidad

Son máquinas de combustión externa. La Etérmica liberada

durante el proceso se transfiere al vapor como calor

• Máquinas de combustión interna: utilizan los productos de

combustión en la expansión

Son dispositivos que producen trabajo y que no operan en

un ciclo termodinámico

• Sistemas combinados

TEMA 9

TEMA 10

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Ciclos de potencia de vapor

• MÁQUINAS TÉRMICAS (fluido secundario):

• Centrales térmicas o termoeléctricas

• Sistemas de cogeneración (Industria Química):

• Ciclos de cabezas (fluido secundario: vapor)

• Ciclos de colas: (fluido secundario: vapor de baja

presión)

• Producciones grandes e intermedias

• Tecnología muy conocida: sistemas fiables y duraderos

• Admiten combustibles de baja calidad: fluido de trabajo

separado

• Inercia importante: largas puestas en marcha

• Gran volumen/superficie ocupada (caldera, turbina …)




•• CICLO DE CARNOTCICLO DE CARNOT










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• Se compone de 4 procesos totalmente

REVERSIBLES:

1- Adición de calor isotérmica

2- Expansión isoentrópica

3- Rechazo de calor isotérmico

4- Compresión isoentrópica

El ciclo de Carnot se ejecuta en un sistema

cerrado (dispositivo cilindro-émbolo) o en un

sistema de flujo estable (con dos turbinas y

dos compresores)

Es el ciclo de vapor más EFICIENTE que

opera entre dos niveles de temperatura

especificados (fuente de Etérmica a TC y un

sumidero a temperatura TF)

Ciclo de Carnot (1824)



• La TQ isotérmica reversible es muy difícil de lograr en la realidad

porque requeriría cambiadores de calor muy grandes y requeriría

mucho tiempo

• No es práctico construir una máquina que operase en un ciclo que se

aproximase al de CARNOT

• USO REAL del ciclo de Carnot: estándar contra el cual pueden

compararse ciclos reales u otros ideales

• “La eficiencia térmica (rdto. Máx.) aumenta con un incremento en la

temperatura promedio a la cual el calor se añade al sistema o una

disminución en la temperatura promedio a la cual se rechaza calor del

sistema”

• LÍMITES DE LAS TEMPERATURAS:

TC: Tmax de los componentes de la máquina térmica (émbolo, álabes

de la turbina)

TF: T del medio de enfriamiento utilizado en el ciclo (aire, lago...)

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T

S

Cq&

Fq&

1

23

4

Cq&

Fq&

1

23

4

TurbinaBomba

Caldera

Condensador• Todos los procesos reversibles → Máquina ideal

• Rendimiento máximo (afecta, como límite, a todas las máquinas térmicas):

• El representado es un ciclo de vapor. Podría hacerse con gas (T ctes, q y w

reversibles).

1 FCarnot

C C

Twq T

η = = −&

&




• CICLO DE CARNOT

• CICLO DE RANKINECICLO DE RANKINE









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Ciclo de Rankine

CICLOS PRÁCTICOS:

• Los procesos de expansión y

compresión en dos fases dan

problemas:

Turbina y bomba → erosiones,

vibraciones, …

• Conviene mantener la transmisión de

calor con cambio de fase (cond. y

evap.):

Mayores coeficientes , transmisión

de calor mas estable.

• Se utiliza el ciclo de Rankine (o de

Hirn): el vapor es sobrecalentado en la

caldera y se condensa por completo en

el condensador


• El agua entra en la bomba en el estado 1

como líquido saturado y se comprime

isoentrópicamente hasta la presión de

operación de la caldera

• El agua entra a la caldera como líquido

comprimido en el estado 2 y sale como

vapor sobrecalentado en el estado 3

(proceso a P = cte)

• El vapor sobrecalentado se expande

isoentrópicamente en una turbina (se

produce w al hacer girar el eje conectado a

un generador eléctrico) y se obtiene una

mezcla saturada L-V con alta calidad

(estado 4) y se condensa totalmente hasta

líquido saturado (estado 1) y completa el

ciclo

Ciclo de Rankine

Fq•

Cq•

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Ciclo de Rankine

El área bajo la curva del proceso 2-3 representa el calor transferido al agua en la caldera; y el área bajo la curva 4-1 representa el calor rechazado en el condensador.

La diferencia entre estas dos (área encerrada por el ciclo) es el trabajo neto producido

• Se sobrecalienta (P=cte.) el vapor de salida de la caldera hasta que el

título de salida de la turbina sea 1.

• Se condensa totalmente el vapor (la bomba trabaja con líquido

saturado).

• Pero:

• Baja la eficacia (podría calentarse todo a T1).

• Aumenta la T de entrada a la turbina (límite metalúrgico).




• CICLO DE CARNOT


•• DESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA REALESDESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA REALES








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Desviaciones de los ciclos de potencia de vapor

DESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

REALES RESPECTO DE LOS IDEALIZADOS (Rankine)

• Irreversibilidades en los distintos componentes: la fricción del fluido, las

pérdidas de calor indeseables hacia los alrededores

• FRICCIÓN DEL FLUIDO:caídas de presión en la caldera, el condensador y las

tuberías entre diversos componentes ⇒ DISEÑAR BOMBA MÁS GRANDE (P

mayor que la que requiere el ciclo ideal, wentrada mayor)

• PÉRDIDA DE CALOR DEL VAPOR A LOS ALREDEDORES: para mantener el

mismo nivel de salida de wneto ⇒ TRANSFERIR MÁS CALOR AL VAPOR EN LA

CALDERA

• IRREVERSIBILIDADES EN LA BOMBA Y LA TURBINA: La bomba requiere

un wentrada mayor y la turbina produce un wsalida más pequeño ⇒ EMPLEAR

EFICACIAS ISOENTRÓPICAS

• OTRAS: En los condensadores reales el líquido suele subenfriarse para evitar

el inicio de la cavitación en la impulsión de la bomba. El vapor que se fuga

durante el ciclo y el aire que entra en el condensador son fuentes de pérdidas


DESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

REALES RESPECTO DE LOS IDEALIZADOS (Rankine)

Desviaciones de los ciclos de potencia de vapor

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• CICLO DE CARNOT



• MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (I)MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (I)

•• ReducciReduccióónn de la de la presipresióónn en el en el condensadorcondensador

•• IncrementoIncremento de la de la temperaturatemperatura de de sobrecalentamientosobrecalentamiento

•• IncrementoIncremento de la de la presipresióónn de calderasde calderas





Modificaciones de los ciclos de Rankine (1)

• Eficacia ∼ {Área del ciclo / Área bajo el calentamiento} → ,C Fq qT T↑ ↓& &

REDUCCIÓN DE P EN EL

CONDENSADOR

• La reducción de la P de operación del condensador

reduce automáticamente la T del vapor y, en

consecuencia, la temperatura a la cual el calor se

rechaza

• El trabajo neto de salida aumenta (aumenta el área

encerrada por el ciclo), pero los requerimientos de

calor también aumentan pero en menor media ⇒

RENDIMIENTO MÁXIMO CICLO AUMENTA

• EFECTOS COLATERALES: Disminución del título

(problemas de erosión de los álabes de la turbina) y

filtraciones de aire dentro del condensador

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• Eficacia ∼ {Área del ciclo / Área bajo el calentamiento} → ,C Fq qT T↑ ↓& &

INCREMENTO T

SOBRECALENTAMIENTO

• Sobrecalentar el vapor a altas temperaturas sin

incrementar la Pcaldera

• Aumentan trabajo neto y el calor de entrada ⇒

EFECTO FINAL INCREMENTO RDTO. MÁXIMO

DEL CICLO

• VENTAJAS: Mejora de eficacia y título

• INCONVENIENTE: Límite metalúrgico (álabes de

entrada 620ºC)



INCREMENTO PRESIÓN

DE CALDERAS

• El aumento de la Pcaldera eleva automáticamente

la Tebullición ⇒ Aumenta la TC ⇒ Aumenta RDTO.

MÁXIMO DEL CICLO

• INCONVENIENTE: Para una T de entrada fija en

la turbina el ciclo se desplaza hacia la izquierda

⇒ Aumenta el contenido en humedad del vapor

a la salida de la turbina

• Muchas plantas de vapor modernas operan a

Psupercríticas (P> 22.09 MPa) y tienen eficacias

térmicas de 40% con combustibles fósiles y

34% en las centrales nucleoeléctricas (T

menores por razones de seguridad)

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• CICLO DE CARNOT







• MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (II)MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (II)

•• RecalentamientoRecalentamiento intermediointermedio

•• CiclosCiclos regenerativosregenerativos


Procedimientos de mejora de los ciclos de Rankine (1)

RECALENTAMIENTO

INTERMEDIO

• Recalentamiento intermedio.

• Ciclos regenerativos. • Turbina de dos etapas o cuerpos.

• No hay problema de sobrecalentamiento

• Eficacia ∼ (misma Tª media calentamiento).

• No mas de dos recalent. (complejidad/coste).

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RECALENTAMIENTO INTERMEDIO

• Solución práctica al problema de humedad excesiva

en las turbinas

• El proceso de expansión sucede en dos etapas: 1ª

ETAPA: Turbina de alta presión, el vapor se

expande isoentrópicamente hasta una presión

intermedia y se devuelve a la caldera donde se

recalienta a P = cte, hasta la Tentrada de la primera

etapa de la turbina; 2ª ETAPA: El vapor se expande

isoentrópicamente (turbina de baja presión) hasta

la Pcondensador

• La incorporación de un recalentamiento simple

aumenta la eficacia del ciclo en 4-5%

• La presión de recalentamiento óptima se acerca a

un cuarto de la presión máxima del ciclo (caldera)



CICLOS REGENERATIVOS

• Principio: Precalentar el agua de

alimentación a calderas para aumentar la

temperatura media de adición de calor,

con lo que aumenta la eficacia.

• Práctica: se precalienta con vapor

extraído de una etapa intermedia de la

turbina.

• Por cada extracción, una bomba (hasta 8)

• Reduce el flujo volumétrico de vapor en la turbina

• Contribuye a la eliminación de aire el aliment.

Cq&

Fq&

Turbina

B2

Caldera

Condensador B1

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CALENTADOR ABIERTO DE AGUA DE

ALIMENTACIÓN (CONTACTO DIRECTO)

• El vapor extraído de la turbina se mezcla

directamente con el agua de alimentación que sale

de la bomba

• Idealmente la mezcla sale del calentador como

líquido saturado

• El rdto. máximo del ciclo de Rankine aumenta como

resultado de la regeneración: se eleva la T

promedio a la que el calor se añade al vapor en la

caldera y eleva la temperatura del agua antes de

que entre en ella

Pcond

Pcalent.

Pcald




CALENTADOR CERRADO DE AGUA DE

ALIMENTACIÓN

• El vapor extraído de la turbina NO se mezcla con el

agua de alimentación que sale de la bomba (las dos

corrientes pueden estar a presiones diferentes)

CALENTADOR

ABIERTO

• Simples y económicos

• Buenas características

para la TQ

• Llevan el agua de

alimentación a

saturación

• Cada calentador

requiere una bomba

CALENTADOR

CERRADO

• Complejos y costosos

• Peores características

para la TQ

• Llevan el agua de

alimentación a

saturación

• Cada calentador NO

requiere una bomba

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Plantas de vapor


Plantas de vapor

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Problema

Una planta de potencia funciona según un ciclo de Rankine entre las temperaturas de 600ºC y 40ºC. La presión máxima del ciclo es 8 MPa, la potencia de salida de la turbina 20 MW y su eficacia indicada de un 84%. En estas condiciones, determinar:

a) Flujo másico de vapor de agua que circula por el ciclo en kg/s b) Flujo másico mínimo de agua de refrigeración del condensador

(kg/s) si se permite una diferencia máxima de temperaturas de 10ºC

c) Título de vapor que se obtiene a la salida de la turbinad) Rendimiento térmico del cicloe) Representar en el diagrama T-S del agua el ciclo de Rankine

propuesto

NOTA: Justificar todas las suposiciones realizadas


Problema

CICLO TURBINA DE VAPOR

ESTADO 1 (Líquido saturado a T1 = 40ºC)

P1 = 7,383 kPaT1 = 40 ºCv1 = 0,001008 m3/kgH1 = 167,5 kJ/kgS1 = 0,5723 kJ/kgºC

ESTADO 2 (Líquido comprimido a P2 = 8 MPa)

P2 = 8000 kPa

Cálculo del trabajo de la bomba

WBOMBA = 8,057 kJ/kg

Cálculo de la entalpía 2 (H2)

H2 = 175,6 kJ/kg

ESTADO 3: Vapor sobrecalentado que sale de la caldera a P3 = 8000 kPa y 600ºC

P3 = 8000 kPaηTURB = 0,84

)( 121 PPvW BOMBA −=

BOMBAWHH += 12

ss

realTURBs HH

HHw

w

43

43, −

−==η

L.S.

40ºC

V.Sobrec.

600ºC 8 MPa

WT = 20 MW

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Problema

Conocida T3 --> Calculo H3, S3 (tablas)--> Isoentrópico (S3 = S4) calculo H4s --> Con la eficacia turbina --> Calculo H4

ESTADO 4: Mezcla L-V a 7,4 kPaH (kJ/kg) S (kJ/kgºC)

P4 = 7,383 kPa 0 167,5 0,5723

x100 2574,3 8,2578

T3 H3 S3 xs H4s H4 x(ºC) (kJ/kg) (kJ/kgºC) (%) (kJ/kg) (kJ/kg) (%)600 3642 7,2821 87,3 2268,7 2488,5 96,4

WT = 20000 kW

BALANCE DE ENERGÍA A LA TURBINA

mvapor = 17,3 kg/s

BALANCE DE ENERGÍA AL CONDENSADOR

magua = 961,8 kg/s

WBOMBA = 139,7 kWWNETO, TV = 19860,3 kW

QCALDERA = 60101,4 KWηTV = 0,33

BOMBATVTVNETO WWW −=,

CALDERA

TVNETOTV Q

W ,=η

)()(

4343 HH

WmHHmW T

vaporvaporT −=⇒−=

&&&&

TCpHHm

mTCpmHHmagua

vaporaguaaguaaguavapor Δ

−=⇒Δ=−

)()( 14

14

&&&&


OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Comprender el funcionamiento de las máquinas térmicas basadas en el ciclo de Carnot y los aspectos imprácticos asociados a este ciclo

2. Comprender el funcionamiento de Rankine (ideal) y los aspectosimprácticos asociados a éste, así como el funcionamiento de los ciclos reales

3. Calcular el rendimiento térmico de los ciclos de Carnot y Rankine4. Comprender las modificaciones que se pueden introducir en las

variables de operación del ciclo de Rankine y los procedimientos de mejora que se pueden implementar para obtener un mayor rendimiento térmico del ciclo

5. Representar todos los ciclos ideales y prácticos analizados en el diagrama termodinámico T-S

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