Garcia Noa Yerenis Melani: Evp3

Ciclo de las Turbinas de Vapor

INTRODUCCIÓN:

El ciclo de Rankine es el ciclo ideal que sirve de base al funcionamiento de las centrales térmicas con turbinas de vapor, las cuales producen actualmente la mayor parte de la energía eléctrica que se consume en el mundo. La evolución de las centrales térmicas ha estado condicionada por la búsqueda de mejoras en el rendimiento térmico del ciclo termodinámico, ya que incluso pequeñas mejoras en el rendimiento significan grandes ahorros en los requerimientos del combustible. La idea básica detrás 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.

OBJETIVOS:

Estudiar el ciclo Rankine, analizando la influencia en el rendimiento termodinámico y en la calidad o título de vapor en la turbina, de los parámetros termodinámicos fundamentales que lo caracterizan y de la incorporación del recalentamiento y calentamiento regenerativo.

ALCANCE:

Esta investigación aspira a dar una buena comprensión a todos los lectores acerca del Ciclo de Rankine, su funcionamiento y la importancia que tiene en nuestro entorno. Con esta investigación sabremos la importancia de todas las centrales térmicas.

MARCO TEÓRICO:

Ciclo de Rankine.

El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine.

PROCESO DEL CICLO:

El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (si bien existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje. El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.

ESTUDIO DEL RENDIMIENTO DEL CICLO DE RANKINE SIMPLE.

Inicialmente consideraremos en la instalación bombas y turbinas ideales, para posteriormente analizar el efecto de las irreversibilidades sobre el funcionamiento de la planta.

Ø Diseñe inicialmente el esquema de la planta con sus componentes: caldera, turbina, bomba y condensador.

Ø Suponer las siguientes características de trabajo de los dispositivos: turbina y bomba son isoentrópicos, condensador y caldera son isobáricos.

Comenzaremos por las tres formas de aumentar el rendimiento en un ciclo de Rankine simple.

• Reducción de la presión del condensador.

El vapor existe como mezcla saturada en el condensador a la temperatura de saturación correspondiente a la presión dentro del condensador. Por consiguiente, la reducción de la presión de operación del condensador reduce automáticamente la temperatura del vapor y, en consecuencia, la temperatura a la cual cede el calor de desecho. Lógicamente existe un límite inferior en la presión del condensador que puede usarse: no puede ser inferior a la presión de saturación correspondiente a la temperatura del medio enfriamiento.

• Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas.

El sobrecalentamiento del vapor hasta altas temperaturas aumenta el rendimiento térmico del ciclo al aumentar la temperatura promedio a la que se proporciona el calor. El sobrecalentamiento del vapor está limitado hasta un máximo de 620 ºC por consideraciones metalúrgicas, es decir, por la capacidad de los materiales para soportar altas temperaturas.

• Incremento de la presión en la caldera.

Si incrementa la presión de operación de la caldera, automáticamente se eleva la temperatura a la cual tiene lugar la ebullición. Esto produce un incremento de la temperatura promedio a la que se añade calor al vapor y de ese modo aumenta el rendimiento térmico del ciclo. Las presiones máximas de operación en las calderas han ido aumentando con el tiempo hasta alcanzar hoy día valores hipercríticos en torno a los 30 MPa.

ESTUDIOS DE RENDIMIENTOS:

1) ESTUDIO DE RENDIMIENTO DEL CICLO DE RANKINE CON RECALENTAMIENTO.

El recalentamiento es un procedimiento mediante el cual no sala mente puede lograrse un ligero aumento de la eficiencia termodinámica de un ciclo de Rankine, sino también una reducción del grado de condensación en las turbinas. El ciclo con recalentamiento en su forma más simple consiste en permitir que el vapor de la caldera inicialmente sobrecalentado, se expanda primero en una turbina de alta presión hasta una presión a la cual apenas comience la condensación, luego volver a calentar el vapor mediante un proceso a presión constante, en un equipo llamado recalentador (generalmente un haz de tubos en el interior de horno de la caldera) y finalmente expandirlo hasta la presión del condensador en una turbina de baja presión, este ciclo se puede representar como se muestra en la figura.

2) ESTUDIO DE RENDIMIENTO DEL CICLO DE RANKINE REGENERATIVO.

En un ciclo de Rankine el condensado a la temperatura existente en el condensador es enviado a la caldera donde se produce un calentamiento (del agua) altamente irreversible. Precisamente la eficiencia del ciclo de Rankine es menor que la del de Carnot, fundamentalmente por estas irreversibilidades que se presentan en la caldera. Por lo tanto si el agua de alimentación a la caldera se puede calentar hasta la temperatura existente en la caldera, se eliminarían los efectos irreversibles del ciclo de Rankine. Lo anterior se puede hacer mediante el efecto regenerativo mostrado en la figura.

3)CICLO REAL DE RANKINE

Todos los procesos reales tienen alguna irreversibilidad, ya sea mecánica por rozamiento, térmica o de otro tipo. Sin embargo, las irreversibilidades se pueden reducir, pudiéndose considerar reversible un proceso cuasi estático y sin efectos disipativos. En un ciclo más realista que el ciclo Rankine ideal descrito, los procesos en la bomba y en la turbina no serían exactamente isoentrópicos y el condensador y la caldera presentarían pérdidas de carga. Todo ello generaría una reducción del rendimiento térmico del ciclo. El rendimiento isoentrópico de la turbina, que representa el grado de alejamiento de una turbina respecto al proceso ideal isoentrópico, jugaría un papel principal en las desviaciones al ciclo ideal y en la reducción del rendimiento. El rendimiento isoentálpico de la bomba y las pérdidas de carga en el condensador y la caldera tendrían una influencia mucho menor sobre la reducción de rendimiento del ciclo.

ETAPAS – DIAGRAMA T-S DEL CICLO DE RANKINE.

El diagrama T-S de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isobáricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos isoentrópicos. La caldera y el condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los estados principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-S:

1: vapor sobre calentado;

2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo;

3: líquido saturado;

4: líquido subenfriado.

Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles):

Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor o una máquina de vapor reciprocante en las cuales se genera potencia en el eje de las mismas.
Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga, el calor rechazado puede utilizarse en la mayoría de los procesos para otros usos tecnológicos en el caso específico de las industrias.
Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera.
Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor saturado. Este vapor puede ser sobrecalentado en la mayoría de los casos aprovechando la energía de los gases efluentes del horno en equipos llamados sobre calentadores, este vapor de alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero ésta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse).

FLUIDO IDEAL PARA UN CICLO DE RANKINE.

Las principales características que debe tener un fluido para que pueda ser utilizado eficientemente en un ciclo de Rankine, son:

Alta valor del calor latente de vaporización a la temperatura a que ocurre la vaporización.
Bajo valor de la capacidad calorífica del líquido.
Temperatura crítica superior a la temperatura de funcionamiento más alta.
No tener un valor demasiado alto de presión de vapor a la máxima temperatura de funcionamiento.
Tener un valor de presión de vapor superior a la presión atmosférica para las temperaturas inferiores de funcionamiento.
Bajo valor del volumen específico a las temperaturas inferiores de funcionamiento.
Estar en estado líquido a la presión atmosférica y a la temperatura ambiente.
Poca variación de la Entropía con la presión.
Alto valor de conductividad térmica.
Ser barato, estable, abundante, no inflamable, no explosivo, no corrosivo y no venenoso.

No existe una sustancia que cumpla todos los requisitos enumerados anteriormente. El agua es el fluido normalmente utilizado en los ciclos de potencia debido a que es barata y abundante, aunque tiene una temperatura crítica baja, una presión crítica alta y una baja presión de vapor a la temperatura de condensación y el líquido tiene una alta capacidad calorífica.

DIAGRAMA DE FLUJO