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CICLO DE RANKINE IDEAL CON RECALENTAMIENTO 

Resumen- para este proceso isobárico de calentamiento, recalentamiento y sobrecalentamientos debe realizar primero el balance energético aplicando el primer principio de la termodinámica a sistemas abiertos en régimen estacionario. Utiliza el agua como un fluido de trabajo que genera altas presiones al ser utilizando lo que también puede generar humedad en los últimos pasos de la turbine. Tomando en cuenta la instalación en la cual se realiza este ciclo estacionario, está constituido por turbinas de vapor, que en este caso serán dos, una de alta presión y una de baja presión; el condensador, que está destinado a enfriar el vapor que sale de la turbine de baja presión; bomba, que sirve para ejercer compresión adiabática; la caldera con sobrecalentado isobárico. Al conocer las propiedades termodinámicas dentro de cada punto del ciclo de recalentamiento, se puede tener el valor de cada uno de esos puntos en específicos, y se utiliza normalmente el diagrama de Molino de vapor de agua y las tablas de vapor, se realiza el balance energético, para esto se debe calcular la potencia neta de la instalación con la potencia de las turbinas menos la potencia de la bomba. De modo que la entrada de calor total y la salida total de trabajo de la turbina en un ciclo de recalentamiento vienen a ser: q entrada=q primaria +q reacalentamiento =( h3 −h2 ) +(h5−h 4 ) & w turbina=wtubinaI + wturbinaII =( h3−h2 ) +(h5 −h4 )

Abstract- Rankine cycle with reheat cycle is one of the most widely used in thermal processes of different natures, this process .

aims to convert heat into work, calling this process, as power cycle. There are four main stages in this process, which are: Isentropic expansions: Isobaric cooling Isentropic compression Isobaric heating and reheating. For this isobaric heating process, reheating and heating energy balance must perform first applying the first law of thermodynamics to open systems in steady state. Uses water as a working fluid that generates high pressures to be used which can also cause moisture in the final stages of the turbine. Considering the installation in which this cycle is made stationary by steam is performed, which in this case will be two, one of high pressure and a low pressure; The capacitor, which is intended to cool the steam exiting the low pressure turbine; pump, which serves to exert adiabatic compression; Isobaric boiler with superheater. Knowing the thermodynamic properties in each point of the cycle of overheating, you can have the value of each of these specific points, and commonly used diagram mill steam and the steam tables, the balance is made energy, this is due to calculate the net power of the installation with power turbines less pump power. So that the total heat input and total work output of the turbine in a reheat cycle come to be q entrada=q primaria +q reacalentamiento =( h3 −h2 ) +(h5−h 4 ) & w turbina=wtubinaI + wturbinaII =( h3−h2 ) +(h5 −h4 ) -Fundamento teórico Es posible eliminar muchos de los aspectos imprácticos asociados con el ciclo de Carnot si el vapor es sobrecalentado en la caldera y condensado por completo en el condensador, Lo que resulta es el ciclo Rankine, el cual es el ciclo ideal para las centrales eléctricas de

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vapor. El ciclo Rankine ideal no incluye ninguna irreversibilidad interna. EL CICLO RANKINE IDEAL CON RECALENTAMIENTO El aumento en la presión de la caldera incrementa la eficiencia térmica del ciclo Rankine, pero también incrementa el contenido de humedad del vapor a niveles inaceptables. Entonces, es natural formular la siguiente pregunta: ¿Cómo podemos aprovechar las mayores eficiencias a presiones más altas de la caldera sin tener que enfrentar el problema de humedad excesiva en las etapas finales de la turbina? Se puede pensar en dos posibilidades:

El diagrama T-s del ciclo Rankine ideal con re calentamiento y el es quema de la central eléctrica que opera en este ciclo se muestran en la figura 1. El ciclo Rankine ideal con recalentamiento difiere del ciclo Rankine ideal simple en que el proceso de expansión sucede en dos etapas. En la primer a (la turbina de alta presión), el vapor se expande isotrópicamente hasta una presión intermedia y regresa a la caldera donde se recalienta a presión constan te, por lo general hasta la temperatura de entrada de la turbina de la primera etapa. Después, el vapor se expande isentrópicamente en la segunda etapa (turbina de baja presión) hasta la presión del condensador.

1. Sobrecalentar el vapor a temperaturas muy altas antes de que entre a la turbina. Ésta sería la solución deseable porque la temperatura promedio a la que se añade calor también se incrementaría, lo cual aumentaría la eficiencia del ciclo. Sin embargo, no es una solución viable ya que requiere elevar la temperatura del vapor hasta niveles metalúrgicamente inseguros. 2. Expandir el vapor en la turbina en dos etapas y recalentarlo entre ellas. En otras palabras, modificar el ciclo Rankine ideal simple con un proceso de recalentamiento. El recalentamiento es una solución práctica al problema de humedad excesiva en turbinas y es comúnmente utilizada en modernas centrales eléctricas de vapor.

Figura. 1

Figura 2.La temperatura promedio a la que se transfiere el calor durante el recalentamiento aumenta cuando se incrementa el número de etapas de recalentamiento. La incorporación de un recalentamiento simple en una central eléctrica moderna mejora la eficiencia del ciclo en 4 o 5 por ciento, ya que se incrementa la temperatura promedio a la cual el calor se transfiere al vapor. La temperatura promedio durante el proceso de recalentamiento puede incrementarse aumentando el número de etapas de expansión y recalentamiento. Cuando se hace esto, los procesos de expansión y recalentamiento se acercan a un proceso isotérmico a la temperatura máxima, como se muestra en la figura 2. Sin embargo, el uso de más de dos etapas de recalentamiento no es práctico. El mejoramiento teórico en la

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eficiencia debido al segundo recalentamiento es cercano a la mitad del mejoramiento debido a un solo re calentamiento. Si la presión de entra da de la turbina no es lo suficientemente alta, el doble recalentamiento resulta en un escape sobrecalentado. Es to es indeseable porque causaría que la temperatura promedio para el rechazo de calor aumente y de esta manera la eficiencia del ciclo disminuya. Por lo tanto, el doble recalentamiento se utiliza solamente en centrales eléctricas de presión supercrítica (P > 22.06 MPa). Una tercer a etapa de recalentamiento incrementa la eficiencia del ciclo en casi la mitad de la mejora alcanzada por el segundo recalentamiento. Esta ganancia es tan pequeña que no justifica el costo y la complejidad adicionales. El ciclo de recalentamiento fue introducido a mediados de la década de 1920, pero fue abandonado en los años de 1930 debido a las dificultades operacionales. Con el tiempo, al final de los años de 1940 el aumento constante en las presiones de la caldera hizo necesario reintroducir un solo recalentamiento, así como el doble recalentamiento a principios de la década de 1950. Las temperaturas de recalentamiento son muy cercanas o iguales a la temperatura de entrada a la turbina. La presión de recalentamiento óptima se acerca a un cuarto de la presión máxima del ciclo. Por ejemplo, la presión óptima de recalentamiento para un ciclo con una presión de caldera de 12 MPa es aproximadamente de 3 MPa. Recuerde que el único propósito del ciclo de recalentamiento es reducir el contenido de humedad del vapor en las etapas finales del proceso de expansión. Si se contara con materiales que soportaran temperaturas suficientemente altas, no habría necesidad del ciclo de recalentamiento. Metodología Para entender el ciclo de Rankine con recalentamiento se tiene que entender que este está formado por: -

Expansiones isoentrópicas (1-2 y 3-4).

-

Enfriamiento isobárico (4-5). Compresión isoentrópica (5-6). Calentamiento (6-1) y recalentamiento (2-3) isobárico.

Figura 3 La instalación en la cual se realiza el ciclo podemos agruparlo en 4 elementos: 1. Turbinas de vapor Este ciclo utiliza dos turbinas, una que trabaja con vapor sobrecalentado a la presión de la caldera, que sería la turbina de alta presión y luego está la turbina de baja presión que admitiría vapor a la presión del recalentamiento y expandiría hasta la presión baja del ciclo. 2. Condensador Con este se enfría de forma isobárica el vapor que sale de la turbina de baja presión a presión constante, es un proceso isobárico, pero puesto a que se realiza dentro de la campana de saturación en condiciones de cambio de fase hace que el enfriamiento además de ser isobárico también sería isotérmico. 3. Bomba de agua para el condensado En la cual se eleva la presión del líquido saturado que sale del condensador desde el punto 5 hasta el punto 6 de manera adiabática, si además consideramos que no hay rozamiento de la bomba suponemos un proceso

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ideal, la compresión además de ser adiabática sería reversible y por lo tanto isoentrópica. 4. Caldera Que estaría formada por dos elementos, una caldera donde se produce el calentamiento del líquido que sale del condensador, calentamiento, vaporización y sobrecalentamiento hasta las condiciones de entrada a la turbina de alta presión (condición desde el punto 1, ver figura 4) y además habría un elemento recalentador que trabajaría a una presión diferente por lo tanto tendría una haz tubular diferente dentro de la caldera en la cual se recalienta el vapor desde las condiciones de salida de la turbina de alta presión hasta las condiciones de entrada a la turbina de baja presión, en ambos casos el proceso es isobárico y como normalmente se realiza fuera de la campana de saturación este proceso no será isotermo.

sobrecalentado de la caldera, sale a la misma presión que se encuentra a la caldera dirigido hacia la turbina de alta presión. • De 2-3 Recalentamiento (Proceso Isobárico) El gas que vuelve entrar a la caldera sale como vapor recalentado dirigida hacia la turbina de baja presión hasta expandirse hasta la presión más baja del ciclo. • De 3-4 condensación (Proceso Isobárico e Isotérmico) Debido a la rapidez del giro de la turbina, los gases quemados no tienen tiempo para intercambiar calor con el medio exterior, por esta razón se considera esa transformación a una presión constante. Durante este desplazamiento se produce transformación de energía. La presión baja rápidamente por efecto del aumento de volumen, además que se encuentra en proceso de cambio de fase ya que está dentro de la campana de saturación. a

w turbina . salida=w

turbina 1

+w turbina 2

En este caso podemos observar que solo podemos usar esta fórmula de trabajo en procesos adiabáticos, ya que si no existe cambio de volumen no existirá un trabajo realizado. Por ende nuestra formula quedara de la siguiente manera: w tubina. salida=( h 1−h2 ) +(h 3−h 4 ) Esto será igual al trabajo útil que generaran las turbinas hacia el eje.

Figura 4 Resultados Para que se genere la transformación de energía calorífica a energía mecánica se necesitan de procesos que forman un ciclo termodinámico. Ver Figura 3. Fases del ciclo de 6 tiempos. • De 1-2 vapor sobrecalentado (Proceso isotrópico) En este proceso sale el vapor

Eficiencia de un ciclo de Otto ideal Basado en la figura 3 El rendimiento o eficiencia de una máquina térmica se define, como el cociente entre el trabajo neto útil (W) y el calor total producido en la combustión (Qc). Es decir:

El rendimiento se suele expresar en función del calor responde a la siguiente ecuación:

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n

ter =1−

qsalida qentrada

Si se requiere aumentar la eficiencia en un ciclo de Rankine lo que se debe hacer es subir la presión en la caldera. La desventaja de realizar esta acción es que se produce mayor humedad. Discusión de resultados La tubería tiene que ser de un metal resistente a las altas temperaturas porque existe el riesgo de fugas o se funda el material. La caldera que esta conectada a este ciclo debe poseer las suficientes válvulas de seguridad para que al momento que se someta a temperaturas demasiado altas esta no se agriete y que por efecto de la presión no explote y al mismo tiempo tiene que tener un control de la presión para asegurar que no provoque daños, esto al mismo tiempo afectaría el proceso del ciclo ya que al no funcionar al máximo una pieza todo lo demás se ve afectado, tomamos en cuenta las turbinas al momento de analizar el ciclo ya que estas tienen que estar a las mismas rpm para que giren a la misma velocidad porque de no ser así una de las turbinas frenaría a la otra. También, el condensador debe tener un ventilador para que este acelere el proceso de que el vapor de agua pase de la fase gaseosa a la fase líquida. Vemos que en el proceso isoentrópico de 1-2 tienen la misma entropía, igualmente con el proceso isoentrópico de 3-4. (Véase figura 3) El vapor sobrecalentado sale de la caldera a una presión constante hasta llegar a recalentarse, varía su temperatura pero mantiene constante su presión y la presión que sale de la turbina de alta presión que entra a través de la caldera y sale para llegar a la turbina de baja presión, a esa presión se le llama presión de recalentamiento. (Véase figura 4).

Diferencia entre ciclo de Rankine con recalentamiento ideal y ciclo de Rankine ideal La respuesta es muy simple, se debe al que el proceso de expansión sucede en dos etapas. Como se ha mencionado a lo largo del trabajo el ciclo de rankine con recalentamiento funciona con dos turbinas una de presión alta, en donde el vapor se expande isentrópicamente hasta una presión intermedia y regresa a la caldera donde se recalienta a presión constante, luego ese vapor recalentado pasa a la turbina de baja presión y pasa a estar a la presión del condensado. Es decir lo que se logra con el recalentamiento del ciclo de Rankine es eliminar la humedad excesiva en las turbinas que en el ciclo de Rankine ideal no se logra eliminar. Conclusiones - Se logra una mayor eficiencia de entre 4 a 5% al realizar el ciclo de Rankine ideal con recalentamiento. - Al utilizar el ciclo no se produce gases tóxicos ni causantes del efecto invernadero por ser a base de agua. - Se reducen los niveles de humedad, que al existir provocan cavitación en las tuberías. - La eficiencia del sistemas varía dependiendo al presión de la caldera - Al aplicar este ciclo de ranquin ideal con recalentamiento a niveles industrial resulta económico por el aprovechamiento del agua que se utiliza ya que se mantiene la misma cantidad de masa de agua. Bibliografía Çengel, Yunus. Termodinámica. 7ª edición, Editorial Mc Graw-Hill (2012). Burg hardt M. D. Ingeniería termodinámica. Editorial Harla. 1984