CAPÍTULO 5 DISCUSIÓN

Transcripción

1 91 CAPÍTULO 5 DISCUSIÓN Los resultados l análisis exergético la central termoeléctrica estudiada resumidos en las tablas 4.1 y 4.2 l capítulo anterior se presentan convenientemente en diagramas en este capítulo. El capítulo se estructura en tres secciones. En la primera sección, se muestra la distribución la exergía entrada a través l ciclo para el molo diseño; así mismo, se muestra la distribución la energía. En la segunda sección, se presenta la magnitud la strucción exergía en cada componente principal y se hacen observaciones respecto a la naturaleza las irreversibilidas. Finalmente, en la tercera sección, se hacen observaciones acerca las diferencias en la eficiencia exergética l ciclo y cada componente entre el molo diseño y el molo operación. 5.1 Distribución la exergía entrada a través l ciclo (para el molo diseño) La forma como la exergía entrada al sistema se distribuye a través l ciclo se muestra esquemáticamente en el diagrama Grassmann (figura 5.1) y en el diagrama pai (figura 5.3). El diagrama Grassmann se construyó a partir los valores la exergía l aire y l combustible a la entrada la calra, el trabajo generado por la turbina y el suministrado a las bombas, la strucción y la pérdida exergía en cada componente y los cambios en la exergía l fluido trabajo al atravesar cada componente. En éste diagrama no se muestran el flujo exergético l trabajo utilizado por la bomba 1, así como los flujos exergéticos las siguientes corrientes bido a su

2 92 insignificancia (nomenclatura la tabla A2.1): 11.1, 52.2, 54.2, 52.3, 54.4, 56.2, 62, 63, 65 y 66. El diagrama pai la figura 5.3 se construyó a partir los valores strucción exergía, la pérdida exergía y el trabajo generado en cada componente, divididos entre la exergía total entrada al sistema. La figura 5.2 muestra un diagrama los flujos energéticos (llamado Sankey) durante el proceso. Para su construcción se tomaron los valores la energía entrada, los cambios en el valor la energía a través cada componente y la energía salida l sistema en forma trabajo o calor. Paralelamente, en la figura 5.4 se muestra un diagrama pai en el cual se muestra la distribución la energía entrada a través l ciclo. A partir una cuidadosa observación los diagramas Grassmann, Sankey y los pai (figuras 5.1, 5.2, y 5.3 y 5.4, respectivamente) se hacen las siguientes observaciones: 32% la exergía entrada sale l sistema en forma energía mecánica. La proporción entre el trabajo generado y la energía entrada así como la proporción entre el trabajo generado y la exergía entrada son iguales en magnitud. Esta proporción correspon a las eficiencias térmica y exergética. Esto no resulta sorprennte cuando se nota que tanto la energía entrada como el trabajo son ambas formas energía ata calidad, las cuales, por lo tanto, poseen un máximo contenido exergía. En el tren calentadores se struye muy poca exergía (1 % la exergía total entrada): casi toda la que sale las expansiones vuelve a entrar a la calra. Se ve que el tren calentadores no implica mayores pérdidas exergéticas al ciclo. Por otro lado, como se explicó en la primera sección

3 93 Combustión. E combustible Ė gases eco I.C. Calra vap cs1 cs2 Turbina hpt1 hpt2 hpt3 hpt4 hpt5 lpt. W turbina. W b2 ic6 ic5 Tren calentadores ic4 ic3 ic2 cond. Econnsador Figura 5.1. diagrama Grassmann para el molo diseño (datos propios). Calra Q. gases Turbina Ẇ turbina U. combustible Ẇ b2 Tren calentadores Q. connsador Figura 5.2. diagrama Sankey para el molo diseño (datos propios).

4 94 5% 1%1% 0% 26% 5% 32% W turbina Ep gases Ep connsador Ed combustión Ed ic calra Ed turbina Ed connsador Ed tren calentadores Ed bombas 3% 27% figura 5.3. Distribución la exergía entrada a través l ciclo, el molo diseño (datos propios). 32% 52% W turbina Q gases Q connsador 16% figura 5.4. Distribución la energía entrada a través l ciclo, molo diseño (datos propios).

5 95 capítulo tres, la regeneración contribuye significativamente al incremento la eficiencia (térmica y exergética) l ciclo. En ausencia un tren calentadores, la menor eficiencia l ciclo se reflejaría en un diagrama Grassmann como una mayor strucción la exergía en algunos los componentes, junto con una disminución en el trabajo generado. Por otro lado, en un diagrama Sankey, una menor eficiencia se reflejaría como una proporción menor trabajo generado junto con una proporción mayor calor transferido al ambiente. La exergía que se struye en el connsador es pequeña en magnitud (1% la exergía total entrada). Así mismo, la exergía que se pier en este componente es relativamente pequeña también. La energía que se pier, por otro lado, es gran en magnitud, 52 % la energía original l combustible, pero es limitada en utilidad, bido a su temperatura cercana a la ambiental La mayor strucción exergía ocurre durante la combustión (27% la exergía total entrada). La strucción exergía bido a la combustión, aunque gran en magnitud, es intrínseca al proceso combustión y por lo tanto inevitable. La siguiente mayor causa strucción exergía en el sistema es el intercambio calor entre los gases combustión y el fluido trabajo en la calra (36% la exergía total entrada); en específico, en la sección don se vaporiza el agua alimentación. En esta sección, la energía los gases combustión se encuentra a una temperatura C, mientras que el agua se alimentación se alcanza a calentar hasta una temperatura C. Consirando que el intercambio calor a través una diferencia temperatura finita y la diferencia temperatura en esta sección finitivamente

6 96 no es infinitesimal- contribuye fuertemente a la presencia irreversibilidas durante los procesos intercambio calor, no resulta tan sorprennte la magnitud la strucción exergía durante la vaporización. La strucción exergía en el economizador es relativamente pequeña, mientras que en las secciones l sobrecalentador no es spreciable. La exergía que se pier junto con los gases combustión que se ventilan a la atmósfera (5% la exergía total entrada) es mayor en magnitud a la exergía que se pier en el connsador. La cantidad energía es mucho menor, pero su calidad es mayor bido a su temperatura elevada. Es interesante mencionar que la exergía los gases combustión que se ventilan a la atmósfera no es spreciable. Como proponen los investigadores Marc A. Rosen, Minh N. Le y Ibrahim Dincer en su artículo titulado Thermodynamic Assessment of an Integrated System for Cogeneration and District Heating and Cooling [11], el aprovechamiento esta energía para usos urbanos los cuales requieren energía baja calidad (agua caliente, calentar el ambiente) podría representar un ahorro significativo los recursos alta calidad (electricidad, gas) que generalmente se stinan a cubrir estas necesidas. En cada expansión la turbina la strucción exergía es relativamente pequeña. La strucción exergía en la turbina en su totalidad, sin embargo, no es l todo spreciable ya que representa un 8% la strucción exergía en todo el sistema y un 5% la la exergía entrada en forma combustible. La strucción exergía en las bombas es insignificante comparada con la strucción exergía en casi cualquier otro componente.

7 Localización, magnitud y naturaleza las principales irreversibilidas presentes en el ciclo. En la figura 5.5 se muestra la fracción exergía struida en cada componente respecto a la exergía struida en el sistema en su totalidad durante el proceso. 2% 8% 2% 0% 44% 44% Ed combustión Ed ic calra Ed turbina Ed connsador Ed tren calentadores Ed bombas Figura 5.5. Radio strucción exergía Edj/Edtotal los principales componentes, molo diseño (datos propios). La contribución la calra a la strucción exergía en el sistema sobrepasa por mucho a las los más componentes. La strucción exergía durante la combustión es inherente a este proceso y por lo tanto es inevitable. Adicionalmente, la reducción en la strucción exergía que ocurre en terminados procesos, aunque viable en principio, generalmente está acotada por limitaciones tecnológicas o económicas. En el caso un intercambiador calor operando entre terminadas

8 98 temperaturas, erradicar las irreversibilidas requeriría un área transferencia energía infinitamente gran o un tiempo transferencia así mismo infinitamente gran a fin aproximar un proceso reversible. Esto, aunque termodinámicamente conveniente, resulta inviable en la práctica. El óptimo tanto termodinámico como económico requiere un estudio termoeconómico. Un estudio termoeconómico es fundamental en la orientación la toma cisiones, sin embargo, se encuentra más allá l alcance l presente trabajo investigación. Un diagrama como el la figura 5.5 be estudiarse con cuidado, ya que pue resultar un tanto engañoso. Conociéndose la proporción la strucción inevitable exergía en cada componente, pue construirse un diagrama similar al la figura 5.5 en el cual se muestre la strucción exergía evitable en cada componente respecto la strucción exergía evitable total l sistema. En dicho diagrama, la proporción correspondiente a la combustión, por ejemplo, sería pequeña en magnitud. De este modo se tiene una representación más real los sitios don es más conveniente dirigir los esfuerzos mejoramiento l sistema. En este sentido, se muestra en la tabla 5.1 un resumen cualitativo la contribución cada componente a la strucción y pérdida exergía l sistema, así como la causa las irreversibilidas y su relevancia al sistema. La construcción esta tabla estuvo basada en la observación los diagramas las figuras 5.1 y 5.3 por un lado, y en una consulta bibliográfica por otro [3], [4], [5], [7], [20], [21].

9 99 Localización Tipo pérdida Relevancia Causa Método reducción la pérdida la pérdida la pérdida exergía para el sistema Calra Destrucción Importante Conversión Prácticamente no se exergía bido a energía pue reducir: es la combustión química a inherente al proceso. térmica Mantener el óptimo l radio aire/combustible Calra Pérdida Significativa Transferencia Reducir la T la exergía bido a calor al energía liberada; ventilación ambiente utilizar el calor para los gases combustión a la fines industriales o domésticos atmósfera Calra Destrucción Importante Transferencia Incrementar la T exergía bido a energía a entrada l agua la transferencia través una alimentación; calor los diferencia T minimizar la diferencia gases al vapor finita; fricción T; mejorar la transferencia calor Turbina Destrucción Pequeña Fricción Mejorar el diseño l exergía fricción por componente y darle buen mantenimiento

10 100 Turbina Destrucción exergía bido a Significativa Turbulencia, Mejorar el diseño los pasajes l fluido turbulencia Tren Destrucción Pequeña Transferencia Mejorar la calentadores exergía por energía a transferencia calor intercambio través calor diferencia T finita; fricción Connsador Pérdida Relativamente Transferencia Reducir la T la exergía bido a pequeña calor al energía liberada; la transferencia calor al ambiente ambiente utilizar el calor para fines industriales o domésticos Connsador Destrucción Pequeña Transferencia Mejorar la exergía bido energía a transferencia calor al intercambio través calor diferencia T finita; fricción Bombas Destrucción Insignificante Fricción, Mejorar diseño l exergía por turbulencia l componente ineficiencia la fluido bomba Tabla 5.1. localización, magnitud y causa las irreversibilidas presentes en el sistema.

11 Comparación las eficiencias exergéticas, la pérdida y la strucción exergía en el ciclo y en los componentes entre el molo diseño y el molo operación. En las figuras 5.6 y 5.7 se muestran la distribución la exergía total entrada a través l ciclo y la distribución la energía entrada, respectivamente, para el molo operación. Así mismo, en las figura 5.8 se muestra una comparación las eficiencias exergéticas por componente entre el molo diseño y el molo operación. 1% 5% 3% 0% 26% 28% 2% 7% W turbina Ep gases Ep connsador Ed combustión Ed ic calra Ed turbina Ed connsador Ed tren calentadores Ed bombas 27% Figura 5.6. Distribución la exergía total entrada a través l proceso, molo operación (datos propios).

12 102 28% 53% turbina Q gases Q connsador 19% Figura 5.7. Distribución la energía total entrada a través l proceso, molo operación (datos propios). A partir una observación las figuras 5.3, 5.4, 5.6, 5.7 y 5.8, así como los valores las propiedas termodinámicas ambos molos, se hacen las siguientes observaciones: La eficiencia exergética l ciclo es mayor para el molo diseño (32.46%) que para el operación (27.65%). Esto no sorpren ya que es esperarse que un sistema presente un mejor funcionamiento cuando es nuevo que cuando tiene varios años operando. Originalmente, los parámetros operación se terminan buscándose el máximo eficiencia térmica para terminado diseño ntro las limitaciones físicas l sistema. Por lo tanto, una variación en los parámetros difícilmente contribuirá a incrementar la eficiencia, mientras que un sgaste físico l sistema contribuye a disminuirla.

13 103 La eficiencia exergética durante el proceso combustión es mayor para el molo diseño que para el operación. Esto era esperarse que así fuera por razones similares a las l punto anterior: la strucción exergía es inherente al proceso combustión, por lo tanto, sería difícil que la eficiencia exergética se incrementara algún modo. Por otro lado, la menor eficiencia exergética para el molo operación podría berse en parte a que en la práctica se utilizara un radio aire/combustible que no fuera el óptimo. Comparando la magnitud la strucción exergía en el connsador para ambos molos (Figuras 5.3 y 5.6), llama la atención el hecho que ésta sea más tres veces mayor para el molo operación que para el diseño. La eficiencia l ciclo aumenta conforme la presión l connsador disminuye, por lo tanto, s el punto vista termodinámico, es muy importante mantener la presión entrada al connsador lo más baja posible [7]. En las tablas A2.1 y A2.2 se aprecia una marcada diferencia en las presiones entrada al connsador entre ambos molos (0.106 bar para diseño y bar para operación.) La presión más alta a la entrada l connsador para el molo operación finitivamente contribuye a disminuir la eficiencia l proceso. Por otro lado, en qué medida esto contribuye a una mayor strucción exergía en este componente es una pregunta cuya respuesta está más allá l alcance esta tesis. Comparando los diagramas las figuras 5.3 y 5.6, se observa una pérdida exergía marcadamente mayor junto con los gases combustión que se ventilan a la atmósfera para el molo operación que para el diseño. La cantidad energía que se pier al ambiente (figuras 5.4 y 5.7) es mayor para operación (19%) que para diseño (16%). Adicionalmente, la temperatura los gases es asimismo mayor para operación (197.6 C) que para diseño (178.8 C), modo

14 104 que la energía que se pier, amás ser mayor en cantidad, es mayor calidad. Las eficiencias exergéticas cada componente no son necesariamente mayores para el molo diseño que para el operación. Éstas son mayores para diseño que para operación en los siguientes componentes: o o o Turbina en su conjunto 1ª, 2ª y 4ª expansiones la turbina economizador y sección CS1 l sobrecalentador o bomba 1 o intercambiadores calor números 5 y 3 l tren calentadores Por otro lado, las eficiencias exergéticas son mayores para el molo operación que para el diseño en los siguientes componentes: o o 3ª, 5ª y 6ª expansiones la turbina sección vaporización y sección CS2 l sobrecalentador o bomba 2 o intercambiadores calor números 6, 4 y 2 l tren calentadores Observando la figura 5.8, llama la atención la diferencia en la eficiencia exergética la HPT2 entre diseño y operación. En las tablas A2.1 y A2.2 no se observan grans diferencias en los valores presión y temperatura entrada y salida entre ambos molos. Por lo tanto, ntro los alcances esta tesis, no es posible terminar el origen esta diferencia en funcionamiento. La eficiencia exergética marcadamente mayor para operación que para diseño en la sección CS2 los intercambiadores calor la calra no resulta sorprennte cuando se observa a partir los datos mostrados en las tablas A2.1 y A2.2,- que la diferencia temperatura entre la corrientes que intercambian calor es significativamente mayor para el molo diseño (rango

15 C) que para el operación (rango C) y se recuerda que entre mayor sea la diferencia temperatura l intercambio calor entre las corrientes caliente y fría en un intercambiador calor, menor es la eficiencia exergética l componente eficiencia exergética Turbina HPT1 HPT2 HPT3 HPT4 HPT5 LPT Connsador IC6 IC5 IC4 IC3 IC2 Bomba 1 Bomba 2 Economizador CS1 CS2 Ciclo vapor Ciclo completo diseño operación Figura 5.8. Eficiencias exergéticas por componente para el molo diseño y el molo operación (datos propios).