CICLOS DE MÁQUINAS TÉRMICAS DE VAPOR

Transcripción

1 V CICLOS DE MÁQUINAS TÉRMICAS DE VAPOR FILMINAS 1 DE 3 1

2 CICLOS DE MÁQUINAS TÉRMICAS DE VAPOR 1. INTRODUCCIÓN 2. CONVENIENCIA DE UTILIZACIÓN DE UN CICLO U OTRO 3. CICLO DE CARNOT 4. CICLO DE RANKINE 41 CICLO DE RANKINE CON VAPOR SOBRECALENTADO 4. CICLO REGENERATIVO 4.1. CICLO DE RANKINE CON VAPOR SOBRECALENTADO 4.2. CICLO CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO 2

3 1. Introducción Fuente Térmica a T 1 Q 1 Máquina Térmica Q 2 Fuente Térmica a T 2 W Una máquina térmica es un dispositivo que produce una cierta cantidad de trabajo, W, a partir de recibir calor de una fuente a alta temperatura, Q 1, y entregar otra determinada cantidad de calor a un fuente a una temperatura menor que T 1 1, Q 2. Para que este proceso funcione correctamente debe verificarse que T 1 >T 2 Los denominados Ciclos de Máquinas Térmicas de Vapor son ciclos que podría utilizarse para máquinas térmicas en las que se emplee como fluido intermediario el agua, que al describir el ciclo podrá estar en estados td líquidos y gaseosos. 3

4 1. Introducción Agua en estado 1 Agua en estado 2 Dentro de una Máquina térmica habrá un fluido, en este caso agua, que, al pasar por sucesivos estados y mediante los equipos adecuados permitirá obtener una determinada cantidad de trabajo. Precisamente por tratarse de un ciclo, el estado inicial y el estado final del fluido será exactamente el mismo, es decir ambos tendrán las mismas propiedades p termodinámicas. Agua en estado 5 Máquina Térmica Agua en estado 4 Agua en estado 3 El fluido, consecuentemente, necesitará recibir y entregar calor para ir pasando de un estado a otro. A lo largo de esta unidad vamos a estudiar distintos tipos de ciclos que pueden utilizarse en máquinas térmicas y veremos formas de elegir uno u otro en relación al resultado que se busque. Los Ciclos de Máquinas Térmicas de Vapor que estudiaremos son: 1. CICLO DE CARNOT 2. CICLO DE RANKINE 2.1. CICLO DE RANKINE CON VAPOR SOBRECALENTADO 2.2. CICLO CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO 3. CICLO REGENERATIVO 4

5 2. Conveniencia de Utilización de un Ciclo u Otro Cómo podría determinarse la conveniencia de utilización de un ciclo u otro? Se han establecido ciertos Coeficientes que permiten comparar los distintos ciclos. Entre estos coeficientes los más importantes son: 1. Rendimiento Térmico 2. Relación de Trabajo 5

6 2. Conveniencia de Utilización de un Ciclo u Otro RENDIMIENTO TÉRMICO (RT) Es unrendimiento i energético que nos indica la fracción de energía total suministrada a la máquina térmica que se transforma en trabajo útil, por lo cual su expresión será: RT = W útil / Q 1 W útil representa el trabajo útil obtenido en la instalación, por lo cuál es la suma algebraica de los diversos trabajos producidos o consumidos por los diferentes equipos en que se describa el ciclo termodinámico en la planta El valor que tome este coeficiente dará una idea sobre el consumo de combustible que la planta requerirá para producir trabajo útil. Por sí solo este coeficiente no es suficiente para indicar la conveniencia de la realización de un determinado ciclo, dado que en el costo de la generación de trabajo útil inciden otros factores como la inversión que la planta requiere y los consiguientes gastos financieros, así como los costos de mantenimiento. No Olvidar: Q 1 representa el calor que se ha suministrado al fluido intermediario (agua) para la realización del ciclo. RT es un Rendimiento energético!!! 6

7 2. Conveniencia de Utilización de un Ciclo u Otro RELACIÓN DE TRABAJO (RW) RW = P útil / P T Este valor nos indicará la conveniencia económica de un ciclo determinado desde el punto de vista de la instalación. útil T g q De igual forma nos indica que debe desecharse alguno de alto rendimiento térmico, optando por otro de menor rendimiento térmico, pero alta relación de trabajo. P útil representa la potencia útil obtenida en la planta P T representa la potencia total de las máquinas instaladas La más económica desde el punto de vista de los requerimientos de inversión será la que tengarelaciónde trabajo más próxima a la unidad. 7

8 3. Ciclo de Carnot Es el ciclo mas sencillo que se puede idear ara obtener el máximo rendimiento térmico, operando con dos fuentes a temperatura T1 y T2. Constituido por dos isotérmicas y dos adiabáticas reversibles. Todas las transformaciones dentro de la zona heterogénea del diagrama entrópico del agua. 8

9 3. Ciclo de Carnot Equipos: Caldera (1,2) Turbina (2,3) Condensador (3,4) Compresor (4,1) W útil = W turbina W compresor RT = 1 ( T2 T1) RW = (W turbina W compresor ) / (W turbina W compresor) RW es muy bajo = bajo rendimiento economico 9

10 3. Ciclo de Carnot Dificultades Practicas: En el condensador se ha supuesto que del mismo se extrae vapor húmedo. Esto no es fácil de realizar, es mas simple, extraer de un condensador solo liquido. El compresor requerido debería trabajar con una mezcla mecánicos. de liquido y vapor. Esto tiene muchos inconvenientes 10

11 3. Ciclo de Carnot Posibles Modificaciones: Llegar hasta 4 en lugar de 4. Pero aquí la isoenropica 4 1 es una compresión de un liquido que debería efectuarse hasta una presión muy elevada. El proceso 1 1 es una expansión isotérmica de agua liquida con variación de presión. El ciclo de Carnot es imposible de concretarse en la realidad. 11

12 3. Ciclo de Rankine Diferencias con Carnot: 1. Del condensador se retira liquido saturad en lugar de vapor húmedo. 2. Mediante una bomba al liquido saturado que sale del condensador se le incrementa la presión y de lo introduce en la caldera. RT rankine < RT carnot RW = (W turbina Wbomba) / (W turbina Wbomba) 12

13 3. Ciclo de Rankine Mientras que para describir reversiblemente el primero eran necesarias solo dos fuentes termicas, para Rankine son necesarias infinitas fuentes de calor todas a las temperaturas intermedias entre T1 y T2. 13

14 3. Ciclo de Rankine Como podemos mejorar el rendimiento del ciclo de rankine? El rendimiento del ciclo de rankine aumentara si aumentaelvalordet1osisedisminuye elvalorde T2. Es mas conveniente tratar de disminuir T2. Entonces, mientras T2 sea > a T0 estare perdiendo rendimiento, o sea es exergia que no se ha aprobechado para la obtencion de trabajo util. 14

15 3.1. Ciclo de Rankine con Vapor sobreclentado Para que el vapor que circula por la turbina no contenga humedad excesiva se recurre a sobrecalentar el vapor antes de su entrada a la turbina. Al vapor saturado que sale de la caldera se lo sobrecalienta a presion constante. Efectos: 1. > W turbina ya que aumenta la caida entalpica (h34) 2. Por otro lado hay infinidad de ciclos de carnor con T de fuente caliente mayores que T1, por o cual aumenta el RT Tener en cuenta las propiedades de los materiales al planificar un sobrecalentamiento = Limite. Entonces Puede aun mejorar el ciclo? 15

16 3.1. Ciclo de Recalentamiento Intermedio En este ciclo el vapor se sobrecalienta hasta la temperatura maxima admisible y se expande en un primer cuerpo de la turbina hasta una presion intermedia entre la presion de la caldera y la presion del condensador. Luego va a un recalentador intermedio en que vuelve a sobrecalentarse a presion constante otra vez, hasta la maxima temperatura admisible, despues de lo cual penetra en el segundo cuerpo de la turbina en que se expande hasta la presion del condensador. Ejercicio: encontar las expresiones de: a. Trabajo de la turbina b. Trabajo de bomba c. Q1 d. Q1 e. Q1 f. RT 16

17 3.1. Ciclo de Recalentamiento Intermedio El RT será mejor que en el ciclo sin recalentamiento, efectuado con las mismas presiones externas, siempre que se elija correctamente la presión intermedia a que se realiza el sobrecalentamiento. Para que la zona D tenga igual rendimiento que la C deberá elegirse la presión intermedia de modo que T1 = T4. Si T4 fuera menor que T1 habrá una parte de la zona D con menor rendimiento que la C y podría llegar a suceder que el ciclo tuviera menor rendimiento. El criterio a adoptar deberá ser que T4 sea > o = que T1 17

18 3.1. Ciclo Regenerativo Ahora vamos a estudiar aquellas situaciones que nos permitan disminuir la zona de bajo rendimiento B (51AB) 51AB representa l calor que desde el exterior debe suministrarse para el calentamiento 51. Si se pudiera lograr que este calor se proporcionara internamente (no desde el exterior) el rendimiento aumentaría considerablemente. Lo anterior podría lograrse si el vapor se expandiera no en forma adiabática sino entregando calor. Entonces 23 CD representaría el calor que el vapor cede al expandirse. Si 23 CD es = a 51AB entonces tendríamos una situación ideal, con igual RT al ciclo de carnot. Este ciclo, el es el ciclo regenerativo 18

19 3.1. Ciclo Regenerativo Requiere una turbinaintercambiador = Muy difícil de lograr!! 19

20 3.1. Ciclo Regenerativo 20

21 3.1. Ciclo Regenerativo 21