ciclo rankine.docx

Escuela Superior Politécnica del Litoral Instituto de Ciencias Químicas y Ambientales Transferencia de Calor Nombre: Daniel Correa Rafael Morán Profesor: Ing. Carlos Balladares.

Fecha: 03/09/2013

Practica: 2

Nombre de la práctica: *Ciclo Rankine.

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.

Teoría. El ciclo de Rankine es el ciclo ideal que sirve de base al funcionamiento de las centrales térmicas, 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 de 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. Esto se consigue con una selección cuidadosa de las condiciones de operación de la caldera (presión y temperatura a la que genera el vapor), y del condensador (presión de operación), así como con la incorporación de recalentamientos entre diferentes etapas de expansión y calentamientos regenerativos del agua de alimentación. Los generadores de vapor propiamente dicho están constituidos por una caldera y el hogar, puede además incluir otros elementos de absorción de calor como un sobrecalentador, economizador o un precalentador de aire, igualmente puede incluir equipos auxiliares o de instrumentación y control para ayudar al correcto funcionamiento de la unidad. La caldera constituye un recipiente cerrado que genera vapor de agua a presiones superiores a la atmosférica, absorbiendo el calor que desarrolla la combustión en el hogar. La temperatura del líquido aumenta hasta alcanzar la de vaporización y se mantiene constante, el líquido se convierte en vapor, una vez alcanzada la temperatura de ebullición a la presión de operación continua el suministro de calor y se inicia la vaporización sin variación de temperatura. Mientras exista líquido por evaporar, la mezcla de vapor y líquido se llama vapor húmedo, si el calor suministrado es tal que la temperatura del vapor es la temperatura de vaporización se denomina vapor saturado seco. El fluido que sale de la caldera es llevado a la turbina de vapor, donde transformar la energía de flujo de vapor en energía mecánica, a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo y el rodete (órgano principal de la turbina), que cuenta con álabes de forma particular para poder realizar el intercambio energético. Esta energía es aprovechada por un generador eléctrico que esta acoplado a la turbina. Luego el fluido es condensado alternadamente, y sometido a la vez en la Torre de enfriamiento, que permite la disminución de temperatura del agua, donde el fluido se traslada nuevamente al sistema de tratamiento del agua y hacer la recirculación del mismo en los elementos principales.

Ciclo Rankine Ideal: El funcionamiento de una planta de vapor está basado en el ciclo termodinámico del Ciclo Rankine (ver figura 1) compuestos por los procesos:  Proceso 1-2: Compresión Isoentrópica en una bomba.  Proceso 2-3: Adición de Calor a Presión constante en la caldera.  Proceso 3-4: Expansión Isoentrópica en la Turbina.  Proceso 4-1: Rechazo de calor a Presión constante en el condensador.

Ciclo Rankine Real: Los ciclos Rankine idealizados tienen eficiencias próximas a la de Carnot. Para las máquinas reales que operan según un ciclo Rankine, esto no sucede dado que existen muchas irreversibilidades, principalmente en la turbina y en la bomba. También debe notarse que se estudia la eficiencia del ciclo; con frecuencia, la eficiencia de las plantas de potencia se define en términos del trabajo (o energía eléctrica) entregada por la planta en comparación con la energía obtenida del combustible que entra a la caldera y no de la energía agregada al fluido de trabajo. Esta eficiencia global de las plantas recibe el nombre de gasto específico de calor de la planta y se expresa frecuentemente en unidades mezcladas de Btu de energía demandada por kilowatt-hora de electricidad entregada. Como la eficiencia de la caldera puede ser tan baja como un 60%, la eficiencia global de la planta resulta considerablemente más baja que la eficiencia del ciclo. Entre las principales causas de irreversibilidades están la fricción del fluido y las pérdidas de calor hacia los alrededores, que ocasionan: a) Pérdidas por Fricción: La fricción del fluido ocasiona caídas de presión en la caldera, el condensador y las tuberías entre los diversos componentes. Para compensar las caídas en las presiones se requiere presiones más altas en el bombeo de agua. b) Pérdidas de calor: Pérdida de calor del vapor por los alrededores cuando éste circula por varios componentes.

Cálculos. Estado 1 h1= entalpía de líquido saturado a 8.7 bar  128 psia y 175 C h1 = 317.57

Estado 2 h2= entalpía de vapor saturado a 8.7 bar h2 = 1191.5 Q caldero = h2 – h1 Q caldero = 1191.8 – 319.12 = 872.68

Estado 2a Q recalentador = h2a – h2 h2 = entalpía de vapor saturado a 9 bar  132.3 psia y 180 C h2a = entalpía de vapor recalentador a 7.5 bar y 230 C h2 = 1192

h2a (110.25 psia y 446 F) = 1250.42 Q recalentador = h2a – h2 Q recalentador = 1250.42 – 1192 = 58.42

Calor que entra al ciclo QIN = Qcaldero + Qrecalentador QIN = 872.68 + 58.42 = 931.1

Estado s2 = entropía a (7.5 bar y 446 F) s2 = 1.6674 s2 = s3 (se asume que la turbina es isentrópica) P3 = presión de salida del vapor húmedo P3 = 1 bar  14.7 psia

x3 = 0.9383

h3 = entalpía de salida del vapor húmedo a 1 bar h3 = hf + (x3)(hfg) h3 = 180.07 + (0.9383)(970.3) h3 = 1090.5

W turbina = h2a – h3 W turbina = 1250.42 – 1090.5 = 159.92

3

Estado 4 P4 = presión líquido saturado P4 = 0.05 bar P1 = presión líquido comprimido P1 = 8.7 bar v4 = vf @ 0.05 bar = 0.0161

W bomba = v4(P4 – P1) = W bomba = 0.379 W bomba = h1 – h4

h4 = entalpía de líquido saturado h4 = h1 – W bomba h4 = 317.57 – 0.379 h4 = 317.19

Calor que sale Q OUT = Q condensador Q condensador = h3 – h4 Q condensador = 1090.5 – 317.19 = 773.31 QOUT = 773.31

Trabajo neto tomando la sumatoria de calores

W neto = QIN - QOUT W neto = 931.1 – 773.31 W neto = 157.79

Trabajo neto tomando en cuenta la sumatoria de trabajos W neto = W turbina – W bomba W neto = 159.92 – 0.379 W neto = 159.41

Eficiencia térmica

n térmica = 0.17  17%

Potencia de la turbina revoluciones = 2700 RPM torque = 6 kg-m

Potencia neta = 22.61 HP  16.88 KW

Consumo de diésel Trabajo neto = 157.59

 366.7

Consumo de diésel = 165.6 Kg de diésel por hora

Conclusiones. El ciclo de carnot es el más eficiente de los ciclos que operan entre dos límites especificados de temperaturas. Así, es natural considerar primero considerar a éste ciclo como un prospecto de ciclo ideal para las centrales eléctricas de vapor. Sin embargo el ciclo de Carnot no es un modelo apropiado para los ciclos de potencia

Para aumentar la eficiencia a bajas presiones los condensadores operan muy por debajo de la presión atmosférica.

El rendimiento prácticamente alcanzable es pequeño, puesto que, por una parte, la temperatura del foco frío está limitada a la del sumidero disponible (agua de río, mar o aire ambiente), y por otra parte, pese a que el rendimiento será tanto mayor cuanto mayor sea la temperatura del foco caliente.

En conclusión el ciclo de Carnot no puede lograrse en los dispositivos reales y no es un modelo realista para los ciclos de potencia de vapor.