Unidad 01 - Presentación Ciclos de Vapor y Consumo Específico

Ciclos de vapor

Mquinas Trmicas Hidrulicas y Fluidos

1

Ciclos de vapor

Mquinas Trmicas Hidrulicas y FluidosCiclos de vapor ~ Ciclo de Carnot

Se estudiarn y analizarn los ciclos que pueden utilizarse en las mquinas trmicas en las que se emplee como fluido intermediario el agua, que al describir el ciclo puede estar en estado lquido o gaseoso..

Ciclo de CarnotEs el ciclo ms sencillo que se puede idear para obtener el

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se puede idear para obtener el mximo rendimiento trmico operando con dos fuentes a distintas temperaturas T0 y T1, constituido por dos isotrmicas y dos adiabticas

1

0

1

01

1

01 1TT

TTT

QQQ

=

=

=

Mquinas Trmicas Hidrulicas y FluidosCiclos de vapor ~ Limitaciones del ciclo de Carnot

La compresin 1-2 es prcticamente imposible

CT

WWW C

WW

. rL = = 1

Se define como relacin de trabajo ( rL ) a la relacin entre el trabajo neto del ciclo y el trabajo de la turbina.

3

TW TW. rL = = 1

La temperatura mxima que se podra alcanzar sera la crtica (Tcr= 374,15C y p = 225,65 kg/cm2), la cual est muy por debajo de la temperatura mxima admisible de los materiales de construccin

Punto 4 con ttulo de vapor bajo

Mquinas Trmicas Hidrulicas y FluidosCiclos de vapor ~Temperatura media termodinmica

La Temperatura media termodinmica es utilizada para comparar ciclos y verificar las mejoras a introducir en ellos

B

Con ella se logra carnotizar el ciclo o sea transformar el ciclo a uno equivalente de Carnot

En la evolucin AB el calor absorbido ser:

4

A

dS*TQ1=

En la evolucin BA el calor cedido ser:

Q0= A

B

dS*T


== dSTQQW *01

dS*T T

El trabajo obtenido aplicando el Primer Principio

El rendimiento del ciclo ser:

5

= B

A

dS*T

dS*T

mx

mn

TT

c = 1

Si consideramos una temp media superior que represente a este ciclo

Tmm(SB-SA)= B

A

dS*T Tmm = )SS(

dS*T

AB

B

A

AB SSQ

=1


A

B

dS*T)SS(

dS*T

BA

A

B

BA SSQ

=0

Si consideramos una temp media inferior que represente a este ciclo

Tmo(SA-SB)= Tmo =

El rendimiento de este ciclo ser:

6

El rendimiento de este ciclo ser:

)T,T(cTT

QQ

momm

mm

mo === 111

0


u + p * v = h Entalpadh = du + p dv + v dp = Q + v dpDe la expresin del primer principio para sist abiertos a RP

h + 2 / 2 + g * z + Q = h + 2 / 2 + g * z + Wc

7

B

A

dS*T

h1 + 12 / 2 + g * z1 + Q = h2 + 22 / 2 + g * z2 + WcDespreciando : Ep= g (z2 - z1) , Ec=(22 - 12 )/ 2 y el Wc

Q = h2 - h1 Q = hB - hA =

AB

ABmm SS

hhT

=

Mquinas Trmicas Hidrulicas y FluidosCiclos de vapor ~Ciclo de Rankine

'S"Shh

SShhTmm

=

=23

23

23

En el ciclo de Rankine se reemplazan las dos isotrmicas del ciclo de Carnot por dos isobaras

8

23

00 11hh

)'S"S(TTTmm

== cTT

=1

01

Mquinas Trmicas Hidrulicas y FluidosCiclos de vapor ~ Ciclo de Rankine

==2

112 )(* ppvdpvWb

para v = 0,001m3/kg

9

Q1= h3 - h2 ; Q0= h4 - h1 y LT= h3 - h4

)()()(

23

1243

11 hhppvhh

QWW

QWu bT

=

==

Mquinas Trmicas Hidrulicas y FluidosCiclos de vapor ~ Ciclo de Hirn

Mientras la absorcin de calor se desarrollo bajo la curva de vapor hmedo, la temperatura no podr sobrepasar la crtica, desaprovechando parmetros de vapor que podran ser alcanzados tcnicamente

Aceros aleados con

10

Aceros aleados con Cr y Mo aumentan considerablemente su resistencia mecnica y trmica

Mquinas Trmicas Hidrulicas y FluidosCiclos de vapor ~ Ciclo de Hirn

El calor aportado ser : Q1 = h3 h2El calor entregado a la fuente fra ser:

Q0 = h4 h1 = T0 (S4 S1)El trabajo obtenido en la turbina:

11

)()()(

23

1243

11 hhppvhh

QWW

QWu bT

=

==

mmTT01=

El trabajo obtenido en la turbina:WT = h3 h4

Por lo tanto el rendimiento ser:

13

1301hh

)SS(T

=

Mquinas Trmicas Hidrulicas y FluidosCiclos de vapor ~ Ciclo con Recalentamiento intermedio

25

4523

SS)hh()hh(

+Tmm =

Como regla: T4 TmsEl trabajo obtenido en la turbina:

12

El trabajo obtenido en la turbina:WT = (h3 h4)+(h5-h6)

El trabajo entregado a la bomba:Wb = (h2 h1) = v (p2-p1)

El calor aportado ser : Q1 = (h3 h2)+(h5-h4)

= [ ]

)()()()()(

4523

126543

1 hhhhhhhhhh

QWu

+

+=

Mquinas Trmicas Hidrulicas y FluidosCiclos de vapor ~ Salida del vapor de Turbina

13

Mquinas Trmicas Hidrulicas y FluidosCiclos de vapor ~ Consumo especfico

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)kW(Ne)kg/kJ(Pci*)h/kg(GcombCesp)kWh/KJ( =

Consumo especfico de calor de la instalacin

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)kW(NeCesp)kWh/KJ( =

Gcomb: Gasto de combustible (kg/h) (Nm3/h)Pci: Poder calorfico inferior (KJ/kg) (kJ/Nm3)Ne: Potencia en bornes del alternador (kW)


tt

)kWh/KJ(*Cesp)kWh/KJ(

36001=

tt = ic * gv * Turb * Alt * Traftt: Rendimiento trmico total

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tt = ic * gv * Turb * Alt * Traf

ic: Rendimiento ideal del ciclogv: Rendimiento del generador de vaporTurb: Rendimiento de la turbinaAlt: Rendimiento del alternadorTraf: Rendimiento del transformador principal

Mquinas Trmicas Hidrulicas y FluidosCiclos de vapor ~ Consumo especfico de vapor

)kW(Ne)h/kg(Gv(kg/kWh)Cesp vapor =

Gv: Gasto de vapor (kg/h)Ne: Potencia en bornes del alternador (kW)hu: Salto entlpico til (kJ/kg)

como Ne = Gv * hu

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)kg/kJ(hu)kWh/kJ(3600

=

)kg/kJ(hu*)h/kg(Gv)h/kg(Gv

=

hu: Salto entlpico til (kJ/kg)hd: Salto entlpico disponible (kJ/kg)

(kg/kWh)Cesp vapor

(kg/kWh)Cesp vapor

Mquinas Trmicas Hidrulicas y FluidosCiclos de vapor ~ Consumo especfico de Planta

)kW(n)kW(Ne)kg/kJ(Pci*)h/kg(GcombCespPTA)kWh/KJ(

=

n: Consumo de auxiliares

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nNe

Mquinas Trmicas Hidrulicas y FluidosRendimiento de Caldera ~ Mtodo directo

directo= )kg/kJ(Pci*)h/kg(Gcomb)kg/kJ(h*)h/kg(Gv

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h: Salto entlpico en la caldera

Mquinas Trmicas Hidrulicas y FluidosRendimiento de Caldera ~ Mtodo indirecto

indirecto=100 - Prdidas

*Prdidas por calor sensible de gases de combustin

*Prdidas por radiacin y

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*Prdidas por combustible no quemado

conveccin

*Otras

Mquinas Trmicas Hidrulicas y FluidosRendimiento de la turbina

Turb = int* mec* fv

int : Rendimiento interno de la turbina

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disponibleentlpicoSaltotilentlpicoSalto

hdhu

=

mec: Rendimiento mecnico de la turbina

fv: Rendimiento por fugas de vapor

int=

int=

'hhhh

43

43


22

mec= NiNf

NiNfNi

NiNe

=

= 1Nf: Prdidas por rozamiento en cojinetesNi: Potencia indicadaNe: Potencia efectivaRendimiento mecnico


fv= Gvg

GvgGv vv

=

1

Rendimiento por fugas de vapor

g :

23

Sellos labernticos

Eje del rotor maquinado para el sello

El rendimiento de la turbina resulta inferior al int en 1 a 3%

gv:Gasto de vapor que fuga por los sellos labernticos


24


25

Mquinas Trmicas Hidrulicas y FluidosCiclos de vapor ~ Ciclo Regenerativos

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Tmm=n

n

SShh

3

3


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Balance energtico en el precalentador

)hh(G)hh(G nalimag'nsextrVap 2=


TTTAWQCokWhkJ

3600)/( 1 ==

TAL*cald)hh(GoCo)kWh/kJ(

23 =

Co: Consumo especfico del ciclo sin extracciones

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TAL*cald

TTT

a

AWQCakWhkJ

3600)/( ==

Ca: Consumo especfico del ciclo con regeneracin

T

n

AL*cald)hh(GaCa)kWh/kJ(

=3

WT, es el mismo en ambos casos


1001100 *)CoCa(*)

CoCaCo((%)G ==

100123

3 *)hh(Go)hh(Ga(%)G n

=

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Ga: Gasto de vapor del ciclo sin extracciones

Go: Gasto de vapor del ciclo con extracciones

Mquinas Trmicas Hidrulicas y FluidosCiclos de vapor ~ Ciclos Combinados

Aprovechan el calor sensible de escape de la Turbina de gas (Ciclo Brayton) para generar vapor y producir energa en un

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producir energa en un ciclo convencional sin gasto de combustible

De esta forma el rendimiento del ciclo combinado se eleva a valores cercanos al 60%


El rendimiento de un ciclo combinado es funcin de:

La temperatura de entrada a la TG: T3

La relacin de compresin r = p /p

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rp = p2/p1

Temperatura del aire de aspiracin

Valor del Pinch point entre 40 a 50F


Ventajas:Elevado rendimiento trmico

Costos de inversin bajosCorto tiempo de arranqueReducido consumo de agua de

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Reducido consumo de agua de refrigeracin

Cortos tiempos de entrega de la TG y posibilidad de dividir la caldera en tres presiones

Posibilidad de estandarizacin de la Central

Mquinas Trmicas Hidrulicas y FluidosCiclos de vapor ~ Evolucin del Rendimiento de los Ciclos

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