TEMA 9. CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

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1 Termodinámica Aplicada Ingeniería Química TEMA 9. CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR TEMA 9: CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR BLOQUE II. Análisis termodinámico de procesos industriales ANÁLISIS PROCESOS CALOR GENERALIDADES OBJETIVOS PROCESOS 1. INDUSTRIALES Comprender el funcionamiento de las máquinas térmicas basadas en el ciclo de Carnot y en el ciclo de Rankine ideal y los aspectos imprácticos TRABAJO Y REFRIGERACIÓN PSICROMETRÍA POTENCIAasociados a ambos ciclos, así como el funcionamiento del ciclo real de Rankine (ciclo práctico) CICLOS DE POTENCIA 2. Calcular CICLOS el rendimiento POTENCIA DE térmico de los ciclos de DE VAPOR Carnot GAS y Rankine Y OTROS CICLOS 3. Comprender las modificaciones que se pueden introducir en las variables de operación del ciclo de Rankine y los procedimientos de mejora que se pueden implementar para obtener un mayor rendimiento térmico del ciclo 4. Representar todos los ciclos ideales y prácticos analizados en el diagrama termodinámico T-S 1

2 TEMA 9: CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR INTRODUCCIÓN: Máquinas térmicas CICLO DE CARNOT CICLO DE RANKINE DESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA REALES MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (I) Reducción de la presión en el condensador Incremento de la temperatura de sobrecalentamiento Incremento de la presión de calderas MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (II) Recalentamiento intermedio Ciclos regenerativos TEMA 9: CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR INTRODUCCIÓN: N: Máquinas térmicas CICLO DE CARNOT CICLO DE RANKINE DESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA REALES MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (I) Reducción de la presión en el condensador Incremento de la temperatura de sobrecalentamiento Incremento de la presión de calderas MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (II) Recalentamiento intermedio Ciclos regenerativos 2

3 Ciclos de producción de trabajo MÁQUINAS TÉRMICAS Dispositivos especiales que convierten el calor en trabajo CARACTERÍSTICAS GENERALES 1- Reciben q de una fuente de alta T (E solar, hornos, reactores nucleares...) 2- Convierten parte de ese q en w (normalmente en la forma de un eje en rotación) 3- Liberan el q de desecho remanente en un sumidero de baja temperatura (la atmósfera, ríos...) 4- Funcionan en un ciclo El fluido al y desde el que se transfiere el calor cuando se somete al ciclo se le denomina fluido de trabajo Ciclos de producción de trabajo MÁQUINAS TÉRMICAS TEMA 9 Máquinas térmicas o plantas termoeléctricas: utilizan un fluido secundario en la expansión (vapor) y generan electricidad Son máquinas de combustión externa. La E térmica liberada durante el proceso se transfiere al vapor como calor Máquinas de combustión interna: utilizan los productos de combustión en la expansión TEMA 10 Son dispositivos que producen trabajo y que no operan en un ciclo termodinámico Sistemas combinados 3

4 Ciclos de potencia de vapor MÁQUINAS TÉRMICAS (fluido secundario): Centrales térmicas o termoeléctricas Sistemas de cogeneración (Industria Química): Ciclos de cabezas (fluido secundario: vapor) Ciclos de colas: (fluido secundario: vapor de baja presión) Producciones grandes e intermedias Tecnología muy conocida: sistemas fiables y duraderos Admiten combustibles de baja calidad: fluido de trabajo separado Inercia importante: largas puestas en marcha Gran volumen/superficie ocupada (caldera, turbina ) TEMA 9: CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR INTRODUCCIÓN: Máquinas térmicas CICLO DE CARNOT CICLO DE RANKINE DESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA REALES MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (I) Reducción de la presión en el condensador Incremento de la temperatura de sobrecalentamiento Incremento de la presión de calderas MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (II) Recalentamiento intermedio Ciclos regenerativos 4

5 Ciclo de Carnot (1824) Se compone de 4 procesos totalmente REVERSIBLES: 1- Adición de calor isotérmica 2- Expansión isoentrópica 3- Rechazo de calor isotérmico 4- Compresión isoentrópica El ciclo de Carnot se ejecuta en un sistema cerrado (dispositivo cilindro-émbolo) o en un sistema de flujo estable (con dos turbinas y dos compresores) Es el ciclo de vapor más EFICIENTE que opera entre dos niveles de temperatura especificados (fuente de E térmica a T C y un sumidero a temperatura T F ) Ciclo de Carnot (1824) La TQ isotérmica reversible es muy difícil de lograr en la realidad porque requeriría cambiadores de calor muy grandes y requeriría mucho tiempo No es prácticoconstruir una máquina que operase en un ciclo que se aproximase al de CARNOT USO REAL del ciclo de Carnot: estándar contra el cual pueden compararse ciclos reales u otros ideales La eficiencia térmica (rdto. Máx.) aumenta con un incremento en la temperatura promedio a la cual el calor se añade al sistema o una disminución en la temperatura promedio a la cual se rechaza calor del sistema LÍMITES DE LAS TEMPERATURAS: T C : T max de los componentes de la máquina térmica (émbolo, álabes de la turbina) T F : T del medio de enfriamiento utilizado en el ciclo (aire, lago...) 5

6 Ciclo de Carnot (1824) Caldera T q& C 4 q& C q& F q& F Todos los procesos reversibles Máquina ideal Bomba Turbina S 3 2 Condensador Rendimiento máximo (afecta, como límite, a todas las máquinas térmicas): w& TF η Carnot = = 1 q& T C El representado es un ciclo de vapor. Podría hacerse con gas (T ctes, q y w reversibles). C TEMA 9: CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR INTRODUCCIÓN: Máquinas térmicas CICLO DE CARNOT CICLO DE RANKINE DESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA REALES MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (I) Reducción de la presión en el condensador Incremento de la temperatura de sobrecalentamiento Incremento de la presión de calderas MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (II) Recalentamiento intermedio Ciclos regenerativos 6

7 Ciclo de Rankine CICLOS PRÁCTICOS: Los procesos de expansión y compresión en dos fases dan problemas: Turbina y bomba erosiones, vibraciones, Conviene mantener la transmisión de calor con cambio de fase (cond. y evap.): Mayores coeficientes, transmisión de calor mas estable. Se utiliza el ciclo de Rankine (o de Hirn): el vapor es sobrecalentado en la caldera y se condensa por completo en el condensador Ciclo de Rankine El agua entra en la bomba en el estado 1 como líquido saturado y se comprime isoentrópicamente hasta la presión de operación de la caldera El agua entra a la caldera como líquido comprimido en el estado 2 y sale como vapor sobrecalentado en el estado 3 (proceso a P = cte) El vapor sobrecalentado se expande isoentrópicamente en una turbina (se produce w al hacer girar el eje conectado a un generador eléctrico) y se obtiene una mezcla saturada L-V con alta calidad (estado 4) y se condensa totalmente hasta líquido saturado (estado 1) y completa el ciclo q C q F 7

8 Ciclo de Rankine El área bajo la curva del proceso 2-3 representa el calor transferido al agua en la caldera; y el área bajo la curva 4-1 representa el calor rechazado en el condensador. La diferencia entre estas dos (área encerrada por el ciclo) es el trabajo neto producido Se sobrecalienta (P=cte.) el vapor de salida de la caldera hasta que el título de salida de la turbina sea 1. Se condensa totalmente el vapor (la bomba trabaja con líquido saturado). Pero: Baja la eficacia (podría calentarse todo a T 1 ). Aumenta la T de entrada a la turbina (límite metalúrgico). TEMA 9: CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR INTRODUCCIÓN: Máquinas térmicas CICLO DE CARNOT CICLO DE RANKINE DESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA REALES MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (I) Reducción de la presión en el condensador Incremento de la temperatura de sobrecalentamiento Incremento de la presión de calderas MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (II) Recalentamiento intermedio Ciclos regenerativos 8

9 Desviaciones de los ciclos de potencia de vapor DESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR REALES RESPECTO DE LOS IDEALIZADOS (Rankine) Irreversibilidades en los distintos componentes: la fricción del fluido, las pérdidas de calor indeseables hacia los alrededores FRICCIÓN DEL FLUIDO:caídas de presión en la caldera, el condensador y las tuberías entre diversos componentes DISEÑAR BOMBA MÁS GRANDE (P mayor que la que requiere el ciclo ideal, w entrada mayor) PÉRDIDA DE CALOR DEL VAPOR A LOS ALREDEDORES: para mantener el mismo nivel de salida de wneto TRANSFERIR MÁS CALOR AL VAPOR EN LA CALDERA IRREVERSIBILIDADES EN LA BOMBA Y LA TURBINA: La bomba requiere un w entrada mayor y la turbina produce un w salida más pequeño EMPLEAR EFICACIAS ISOENTRÓPICAS OTRAS: En los condensadores reales el líquido suele subenfriarse para evitar el inicio de la cavitación en la impulsión de la bomba. El vapor que se fuga durante el ciclo y el aire que entra en el condensador son fuentes de pérdidas Desviaciones de los ciclos de potencia de vapor DESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR REALES RESPECTO DE LOS IDEALIZADOS (Rankine) 9

10 TEMA 9: CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR INTRODUCCIÓN: Máquinas térmicas CICLO DE CARNOT CICLO DE RANKINE DESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA REALES MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (I) Reducción de la presión en el condensador Incremento de la temperatura de sobrecalentamiento Incremento de la presión de calderas MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (II) Recalentamiento intermedio Ciclos regenerativos Modificaciones de los ciclos de Rankine (1) Eficacia {Área del ciclo / Área bajo el calentamiento} T, T q& C q& F REDUCCIÓN DE P EN EL CONDENSADOR La reducción de la P de operación del condensador reduce automáticamente la T del vapor y, en consecuencia, la temperatura a la cual el calor se rechaza El trabajo neto de salida aumenta (aumenta el área encerrada por el ciclo), pero los requerimientos de calor también aumentan pero en menor media RENDIMIENTO MÁXIMO CICLO AUMENTA EFECTOS COLATERALES: Disminución del título (problemas de erosión de los álabes de la turbina) y filtraciones de aire dentro del condensador 10

11 Modificaciones de los ciclos de Rankine (2) Eficacia {Área del ciclo / Área bajo el calentamiento} T, T q& C q& F INCREMENTO T SOBRECALENTAMIENTO Sobrecalentar el vapor a altas temperaturas sin incrementar la P caldera Aumentan trabajo neto y el calor de entrada EFECTO FINAL INCREMENTO RDTO. MÁXIMO DEL CICLO VENTAJAS: Mejora de eficacia y título INCONVENIENTE: Límite metalúrgico (álabes de entrada 620ºC) Modificaciones de los ciclos de Rankine (3) INCREMENTO PRESIÓN DE CALDERAS El aumento de la P caldera eleva automáticamente la T ebullición Aumenta la T C Aumenta RDTO. MÁXIMO DEL CICLO INCONVENIENTE: Para una T de entrada fija en la turbina el ciclo se desplaza hacia la izquierda Aumenta el contenido en humedad del vapor a la salida de la turbina Muchas plantas de vapor modernas operan a P supercríticas (P> MPa) y tienen eficacias térmicas de 40% con combustibles fósiles y 34% en las centrales nucleoeléctricas (T menores por razones de seguridad) 11

12 TEMA 9: CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR INTRODUCCIÓN: Máquinas térmicas CICLO DE CARNOT CICLO DE RANKINE DESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA REALES MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (I) Reducción de la presión en el condensador Incremento de la temperatura de sobrecalentamiento Incremento de la presión de calderas MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (II) Recalentamiento intermedio Ciclos regenerativos Procedimientos de mejora de los ciclos de Rankine (1) Recalentamiento intermedio. Ciclos regenerativos. RECALENTAMIENTO INTERMEDIO Turbina de dos etapas o cuerpos. No hay problema de sobrecalentamiento Eficacia (misma Tª media calentamiento). No mas de dos recalent. (complejidad/coste). 12

13 Procedimientos de mejora de los ciclos de Rankine (1) RECALENTAMIENTO INTERMEDIO Solución práctica al problema de humedad excesiva en las turbinas El proceso de expansión sucede en dos etapas: 1ª ETAPA: Turbina de alta presión, el vapor se expande isoentrópicamente hasta una presión intermedia y se devuelve a la caldera donde se recalienta a P = cte, hasta la T entrada de la primera etapa de la turbina; 2ª ETAPA: El vapor se expande isoentrópicamente (turbina de baja presión) hasta la P condensador La incorporación de un recalentamiento simple aumenta la eficacia del ciclo en 4-5% La presión de recalentamiento óptima se acerca a un cuarto de la presión máxima del ciclo (caldera) Procedimientos de mejora de los ciclos de Rankine (2) CICLOS REGENERATIVOS Principio: Precalentar el agua de alimentación a calderas para aumentar la temperatura media de adición de calor, con lo que aumenta la eficacia. Práctica: se precalienta con vapor extraído de una etapa intermedia de la turbina. Caldera q& C Turbina q& F B2 Condensador B1 Por cada extracción, una bomba (hasta 8) Reduce el flujo volumétrico de vapor en la turbina Contribuye a la eliminación de aire el aliment. 13

14 Procedimientos de mejora de los ciclos de Rankine (2) CICLOS REGENERATIVOS CALENTADOR ABIERTO DE AGUA DE ALIMENTACIÓN (CONTACTO DIRECTO) El vapor extraído de la turbina se mezcla directamente con el agua de alimentación que sale de la bomba Idealmente la mezcla sale del calentador como líquido saturado P cald P calent. El rdto. máximo del ciclo de Rankine aumenta como resultado de la regeneración: se eleva la T promedio a la que el calor se añade al vapor en la caldera y eleva la temperatura del agua antes de que entre en ella P cond Procedimientos de mejora de los ciclos de Rankine (2) CICLOS REGENERATIVOS CALENTADOR CERRADO DE AGUA DE ALIMENTACIÓN El vapor extraído de la turbina NO se mezcla con el agua de alimentación que sale de la bomba (las dos corrientes pueden estar a presiones diferentes) CALENTADOR ABIERTO Simples y económicos Buenas características para la TQ Llevan el agua de alimentación a saturación Cada calentador requiere una bomba CALENTADOR CERRADO Complejos y costosos Peores características para la TQ Llevan el agua de alimentación a saturación Cada calentador NO requiere una bomba 14

15 Plantas de vapor Plantas de vapor 15

16 Problema Una planta de potencia funciona según un ciclo de Rankine entre las temperaturas de 600ºC y 40ºC. La presión máxima del ciclo es 8 MPa, la potencia de salida de la turbina 20 MW y su eficacia indicada de un 84%. En estas condiciones, determinar: a) Flujo másico de vapor de agua que circula por el ciclo en kg/s b) Flujo másico mínimo de agua de refrigeración del condensador (kg/s) si se permite una diferencia máxima de temperaturas de 10ºC c) Título de vapor que se obtiene a la salida de la turbina d) Rendimiento térmico del ciclo e) Representar en el diagrama T-S del agua el ciclo de Rankine propuesto NOTA: Justificar todas las suposiciones realizadas Problema CICLO TURBINA DE VAPOR ESTADO 1 (Líquido saturado a T 1 = 40ºC) P 1 = 7,383 kpa T 1 = 40 ºC v 1 = 0, m 3 /kg H 1 = 167,5 kj/kg S 1 = 0,5723 kj/kgºc ESTADO 2 (Líquido comprimido a P 2 = 8 MPa) L.S. 40ºC V.Sobrec. 600ºC 8 MPa W T = 20 MW P 2 = 8000 kpa Cálculo del trabajo de la bomba W BOMBA = v ( P 1 ) 1 2 P W BOMBA = 8,057 kj/kg Cálculo de la entalpía 2 (H 2 ) H H + 2 = 1 W BOMBA H 2 = 175,6 kj/kg ESTADO 3: Vapor sobrecalentado que sale de la caldera a P 3 = 8000 kpa y 600ºC P 3 = 8000 kpa η TURB = 0,84 η s, TURB wreal H3 H4 = = w H H s 3 4s 16

17 Problema Conocida T 3 --> Calculo H 3, S 3 (tablas)--> Isoentrópico (S 3 = S 4) calculo H 4s --> Con la eficacia turbina --> Calculo H 4 ESTADO 4: Mezcla L-V a 7,4 kpa H (kj/kg) S (kj/kgºc) P 4 = 7,383 kpa 0 167,5 0,5723 x ,3 8,2578 T 3 H 3 S 3 x s H 4s H 4 x (ºC) (kj/kg) (kj/kgºc) (%) (kj/kg) (kj/kg) (%) , ,3 2268,7 2488,5 96,4 W T = kw BALANCE DE ENERGÍA A LA TURBINA m vapor = 17,3 kg/s W& T = m& vapor ( H 3 H ) 4 m& vapor W& T = ( H H 3 4 ) BALANCE DE ENERGÍA AL CONDENSADOR magua = 961,8 kg/s m& vapor ( H H ) = m& 4 1 agua Cp agua ΔT m& agua m& vapor ( H 4 H 1 ) = Cp ΔT agua W BOMBA = 139,7 kw W NETO, TV = 19860,3 kw Q CALDERA = 60101,4 KW η TV = 0,33 W NETO, TV η TV = Q W NETO, TV CALDERA = W TV W BOMBA OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Comprender el funcionamiento de las máquinas térmicas basadas en el ciclo de Carnot y los aspectos imprácticos asociados a este ciclo 2. Comprender el funcionamiento de Rankine (ideal) y los aspectos imprácticos asociados a éste, así como el funcionamiento de los ciclos reales 3. Calcular el rendimiento térmico de los ciclos de Carnot y Rankine 4. Comprender las modificaciones que se pueden introducir en las variables de operación del ciclo de Rankine y los procedimientos de mejora que se pueden implementar para obtener un mayor rendimiento térmico del ciclo 5. Representar todos los ciclos ideales y prácticos analizados en el diagrama termodinámico T-S 17

18 Termodinámica Aplicada Ingeniería Química TEMA 9. CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR 18