Ciclo Rankine 20975

CICLOS DE POTENCIA En este capítulo se pretende estudiar los ciclos ideales para aparatos que producen energía. Los vapores y gases serán las sustancias de trabajo. Se intenta modelar el funcionamiento de las plantas generadoras de energía y observar como los procesos en aparatos reales se desvían de la condición ideal. Se estudiara principalmente el ciclo Rankine  y el ciclo Brayton; el primero que utiliza los vapores (vapor de agua) como sustancia de trabajo y, el segundo que utiliza los gases (aire).

EL CICLO RANKINE El ciclo Rankine es el ciclo ideal para las plantas de potencia de vapor. Teóricamente está compuesto por cuatro procesos reversibles: reversibles: Dos procesos isobáricos y dos procesos isentrópicos.

1-2: Adición de calor a presión constante en una caldera ( Q A)

2-3: Expansión isentrópica en una turbina (WT)

3-4: Rechazo de calor a presión constante en un condensador ( Q B)

4-1: Compresión isentrópica en una bomba (WB)

El objetivo principal de una planta de potencia de vapor es producir energía eléctrica.

ANÁLISIS ENERGETICO DEL CICLO 

Los componentes del ciclo Rankine (bomba, caldera, turbina y

condensador) son dispositivos de flujo estacionario. 

Los cambios en la energía cinética y potencial del vapor suelen ser

pequeños respecto de los términos de trabajo y de transferencia de calor y, por consiguiente, casi siempre se ignoran. 

Por lo tanto, se aplican las ecuaciones que corresponden a la ecuación

de conservación de la masa y a la de conservación de la energía para flujo estacionario. Procesos FEES.

Para la caldera:

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Para la turbina: Para el condensador:   ̇ (    ) ̇  

Para la bomba:

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EFICIENCIA TERMICA DEL CICLO La eficiencia térmica del ciclo es la eficiencia para una máquina térmica

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CICLO RANKINE REAL 

En el ciclo real se consideran las irreversibilidades en diversos

componentes. La fricción del fluido y las pérdidas de calor indeseables hacia los alrededores son las dos fuentes más comunes de irreversibilidades. 

De particular importancia son las irreversibilidades que suceden

dentro de la bomba y la turbina. 

Una bomba requiere una entrada de trabajo mayor, y una turbina

produce una salida de trabajo más pequeña como consecuencia de las irreversibilidades. 

En condiciones ideales, el flujo por estos dispositivos es isentrópico. La

desviación de las bombas y turbinas reales de las isentrópicas se compensa exactamente empleando eficiencias adiabáticas, definidas como:

Para la bomba

Para la turbina

Efecto de las irreversibilidades en el ciclo ideal Rankine

Donde los estados 1r y 3r son los estados de salida reales de la bomba y la turbina respectivamente, 1i y 3i son los estados correspondientes para el caso isentrópico.

PROBLEMAS 1.

En un ciclo de Rankine básico, como el que se muestra en la figura, se sabe que el

agua entra en la caldera a 75 bar y una entalpia específica de 174.18 kJ/kg; entra en la -3

bomba a 0.08 bar, 1.0084x10   m3/kg y 41.51°C, entra en la turbina como vapor saturado y seco (v = 0.025445 m3/kg, u = 2575.15 kJ/kg, h 1 = u1 + P1v1). La turbina produce 118.15 kJ/kg; determine, sin despreciar el trabajo en la bomba: a. El calor, por unidad de masa, que se le proporciona al agua en la caldera y el calor por unidad de masa que se evacúa en el condensador. b. El trabajo neto, por unidad de masa, que entrega el ciclo. c. La eficiencia del ciclo

2.

A la turbina de un ciclo Rankine ideal que se observa en la figura entra vapor

sobrecalentado a 30 bar y 500°C y sale del condensador como líquido saturado a 0,1 bar. La potencia neta de salida es 100 MW. Determine: a. El rendimiento térmico del ciclo b. El flujo másico de vapor necesario en Kg/h c. Flujo de calor suministrado al ciclo en MW d. Flujo másico de agua de enfriamiento en Kg/h si ésta aumenta de temperatura desde 18 hasta 28°C.

3.

Considere la planta de vapor mostrada en la figura. El vapor entra a la turbina de

alta presión a 15 MPa y 600°C, y se condensa a una presión de 10 kPa. Si el contenido de humedad a la salida de la turbina de baja no excede de 10,4%, determine: a. La presión a la que el vapor se debe recalentar b. La eficiencia térmica del ciclo

4.

Se tiene un ciclo Rankine en el cual la caldera produce 10 kg/s de vapor a 10 MPa y

600°C, el vapor se expande en la turbina de alta presión hasta 600 kPa y regresa a la caldera a recalentarse hasta la temperatura máxima, posteriormente se expande hasta 10 kPa presión a la cual opera el condensador. Se sabe que la Turbina de Alta Presión (TAP) tiene una eficiencia de 95% y la Turbina de Baja Presión (TBP) 85%, la bomba tiene una eficiencia de 75%. Determine: a. Diagrama T-s b.

Potencias y calores

c. Eficiencia del ciclo d. Haga los cálculos empleando el diagrama de Mollier y compárelos con los obtenidos al emplear las tablas de propiedades termodinámicas.

5.

Considere una central eléctrica de vapor que opera en un ciclo Rankine ideal

regenerativo con un calentador abierto de agua de alimentación. El vapor entra a la turbina a 15 MPa y 600°C, y se condensa en el condensador a una presión de 10 kPa. Una parte de vapor sale de la turbina a una presión de 1,2 MPa y entra al calentador abierto de agua de alimentación. Determine la fracción de vapor extraído de la turbina y la eficiencia térmica del ciclo.