Universidad Técnica Nacional. Ingeniería en Producción Industrial. Curso: Termodinámica. Ciclo Regenerativo. Integrantes: Nikol Cordero Acuña

Transcripción

1 Universidad Técnica Nacional Ingeniería en Producción Industrial Curso: Termodinámica Ciclo Regenerativo Integrantes: Nikol Cordero Acuña Diana Rodríguez Segura Berlioth Mata Laurent I cuatrimestre 2018 Puntarenas Miércoles 11 de abril, 2018

2 Contenido Introducción... 3 Objetivos... 4 Desarrollo... 5 Definiciones importantes del ciclo regenerativo Conclusión Bibliografía... 15

3 Introducción La finalidad de este proyecto consiste en un estudio y análisis termodinámico del ciclo de regeneración, así como sus modificaciones para obtener un mayor rendimiento. Este estudio es de gran importancia en centrales de gran potencia y generación de energía, ya que un mínimo aumento se traduce en un gran ahorro de combustible y emisiones de efecto invernadero. En primer lugar, se estudiará el ciclo regenerativo, el cual se relaciona brevemente con el ciclo Rankine, para ello se verá sus conceptos más importantes, sus efectos, su importancia en la industria y sus diversos tipos de calentadores. El ciclo regenerativo es de uso muy extendido en las centrales térmicas modernas, a causa de su elevado rendimiento. El ciclo regenerativo se describe como una modificación que se le hace al ciclo Rankine que es el que se emplea en turbinas de vapor que permite mejorar sus prestaciones. Antes de iniciar a hablar más a fondo del tema de ciclo regenerativo, es importante dejar en claro el concepto de la termodinámica en la mayoría de los ciclos a estudiar y en general en el ciclo regenerativo, el cual tiene relación con el ciclo Rankine, por lo que se describe como el ciclo Rankine regenerativo, entonces según (YUNUS A. ÇENGEL, MICHAEL A. BOLES, 2009) ; la termodinámica se puede definir como la ciencia de la energía. Aunque todo el mundo tiene idea de lo que es la energía, es difícil definirla de forma precisa. La energía se puede considerar como la capacidad para causar cambios. En la naturaleza, todas las actividades tienen que ver con cierta interacción entre la energía y la materia; por consiguiente, es difícil imaginar un área que no se relacione de alguna manera con la termodinámica. Por lo tanto, desarrollar una buena comprensión de los principios básicos de esta ciencia ha sido durante mucho tiempo parte esencial de la educación en ingeniería. Comúnmente la termodinámica se encuentra en muchos sistemas de ingeniería y otros aspectos de la vida y no es necesario ir muy lejos para comprobar esto.

4 De hecho, no se necesita ir a ningún lado. Por ejemplo, el corazón bombea sangre en forma constante a todo nuestro cuerpo, diferentes conversiones de energía ocurren en billones de células y el calor corporal generado se emite en forma constante hacia el ambiente. Objetivos Objetivo general Tiene como objetivo el estudio y análisis termodinámico del ciclo de Rankine regenerativo y sus modificaciones. Pretende dar un enfoque general de los distintos parámetros que intervienen y afectan en el aumento del rendimiento de las instalaciones que trabajen con él. Objetivos específicos Estudiar el concepto del ciclo regenerativo y su implicación con el ciclo Rankine Conocer los diferentes calentadores tanto el abierto como el cerrado y sus diversas características Identificar los efectos del ciclo regenerativo

5 Desarrollo El ciclo regenerativo Esta modificación al ciclo básico consiste en extraer una parte del flujo de trabajo en varias etapas intermedias de la turbina y pasarla por calentadores, en los cuales el vapor cede su calor al agua que sale del condensador para elevar su temperatura. En el ciclo regenerativo normalmente se emplean calentadores de tipo abierto y calentadores de tipo cerrado. En el de tipo abierto, el vapor y el agua se mezclan equilibrando su temperatura, es menos costoso y tiene mejores características de transferencia de calor que el de tipo cerrado. La principal desventaja del calentador abierto es la necesidad de utilizar una bomba para elevar la presión del líquido saturado que entra en el calentador. Los calentadores abiertos se conocen como tanques de aireadores porque en ellos se expulsan los gases presentes. En los calentadores cerrados el vapor extraído no se mezcla con el líquido que viene del condensador y por lo tanto no requieren entrar al calentador con la misma presión. El líquido fluye por una tubería a través de la cual recibe el calor cedido por el vapor extraído de la turbina. El vapor que se condensa en las paredes externas de los tubos puede bombearse a la línea de agua líquida, llevarse a un calentador abierto de menor presión o directamente al condensador. En la actualidad, las turbinas de altas presiones de entrada se construyen con 5 a 7 extracciones parciales en etapas intermedias y con 8 a 9 en aquellas con parámetros supercríticos. Las turbinas que trabajan en un rango de presiones medianas suelen construirse con 2 a 4 extracciones parciales. Ciclo de Rankine regenerado Disminuye la irreversibilidad interna calentamiento gradual del agua de alimentación Disminuye el trabajo específico (trabajo / kg de vapor) Aumenta el rendimiento termodinámico Instalación más compleja

6 Obliga la turbina con extracciones de vapor Calentadores de superficie exigidos Riesgo de inundación de calentadores Según (YUNUS A. ÇENGEL, MICHAEL A. BOLES, 2009), El dispositivo donde el agua de alimentación se calienta mediante regeneración se llama regenerador o calentador de agua de alimentación (CAA). La regeneración no sólo mejora la eficiencia del ciclo, también proporciona un medio conveniente de des airear el agua de alimentación (al eliminar el aire que se filtra al condensador) para evitar la corrosión en la caldera. Asimismo, ayuda a controlar el gran flujo volumétrico del vapor en las etapas finales de la turbina (debido a los grandes volúmenes específicos a bajas presiones). Por consiguiente, la regeneración se utiliza en todas las centrales eléctricas de vapor modernas desde su introducción a principios de la década de Un calentador del agua de alimentación es un intercambiador de calor donde éste se transfiere del vapor al agua de alimentación mediante la mezcla de ambos flujos de fluido (calentadores de agua de alimentación abiertos) o sin mezclarlos (calentadores de agua de alimentación cerrados). Calentadores abiertos de agua de alimentación Un calentador abierto de agua de alimentación (o de contacto directo) es básicamente una cámara de mezclado en la que el vapor extraído de la turbina se mezcla con el agua de alimentación que sale de la bomba. Idealmente, la mezcla sale del calentador como líquido saturado a la presión del calentador. Figura 1. Ciclo Rankine ideal regenerativo

7 En un ciclo Rankine ideal regenerativo, el vapor entra a la turbina a la presión de la caldera (estado 5) y se expande isentrópica mente hasta una presión intermedia (estado 6). Se extrae un poco de vapor en este estado y se envía al calentador de agua de alimentación, mientras el vapor restante continúa su expansión isentrópica hasta la presión del condensador (estado 7). Este vapor sale del condensador como líquido saturado a la presión del condensador (estado 1). El agua condensada, que también es llamada agua de alimentación, entra después a una bomba isentrópica, donde se comprime hasta la presión del calentador del agua de alimentación (estado 2) y se envía al calentador de agua de alimentación, donde se mezcla con el vapor extraído de la turbina. La fracción del vapor extraído es tal que la mezcla sale del calentador como líquido saturado a la presión del calentador (estado 3). Una segunda bomba eleva la presión del agua hasta la presión de la caldera (estado 4). El ciclo se completa con el calentamiento del agua en la caldera hasta el estado de entrada de la turbina (estado 5). La eficiencia térmica del ciclo Rankine aumenta como resultado de la regeneración. Esto se debe a que la regeneración eleva la temperatura promedio a la que el calor se transfiere al vapor en la caldera aumentando la temperatura del agua antes de que entre a la caldera. La eficiencia del ciclo se incrementa aún más cuando aumenta el número de calentadores de agua de alimentación. Muchas grandes centrales que operan en la actualidad utilizan hasta ocho calentadores de agua de alimentación; el número óptimo se determina con base en consideraciones económicas. El uso de un calentador de agua de alimentación adicional no puede ser justificado a menos que ahorre más en relación con los costos del combustible que se gastó en su propio costo.

8 Calentadores cerrados de agua de alimentación Otro tipo de calentador de agua de alimentación frecuentemente utilizado en las centrales eléctricas de vapor es el calentador cerrado de agua de alimentación, en el cual el calor se transfiere del vapor extraído hacia el agua de alimentación sin que suceda ninguna mezcla. Figura 2. Ciclo Rankine ideal regenerativo calentador cerrado El esquema de la central eléctrica de vapor con un calentador cerrado de agua de alimentación y el diagrama T-s del ciclo se muestran en la figura En un calentador cerrado de agua de alimentación ideal el agua de alimentación se calienta hasta la temperatura de salida del vapor extraído, que idealmente sale del calentador como líquido saturado a la presión de extracción. En las centrales eléctricas reales, el agua de alimentación sale del calentador a una temperatura menor que la de salida del vapor extraído porque se requiere una diferencia de temperatura de al menos unos cuantos grados para que se lleve a cabo cualquier transferencia de calor efectiva. Después, el vapor condensado se bombea a la línea del agua de alimentación o se envía a otro calentador o al condensador mediante un dispositivo llamado trampa, el cual permite que el líquido sea estrangulado hasta una región de presión inferior, pero atrapa el vapor. La entalpía del vapor permanece constante durante este proceso de estrangulación. Los calentadores abiertos y cerrados de agua de alimentación pueden ser comparados de la siguiente manera. Los abiertos son simples y económicos y tienen buenas características para la transferencia de

9 calor. También llevan al agua de alimentación al estado de saturación. Sin embargo, cada calentador requiere una bomba para manejar el agua de alimentación. Por su parte, los cerrados son más complejos debido a la red de tuberías internas, de manera que resultan más caros. La transferencia de calor en los calentadores cerrados de agua de alimentación es menos efectiva porque no se permite que los dos flujos entren en contacto directo. No obstante, los calentadores cerrados de agua de alimentación no requieren una bomba independiente para cada calentador, ya que el vapor extraído y el agua de alimentación pueden estar a presiones diferentes. La mayor parte de las centrales eléctricas de vapor utilizan una combinación de calentadores abiertos y cerrados, como se muestra en la figura Tipos de ciclo regenerativo Figura 3. Central eléctrica de vapor Ciclo regenerativo ideal El esquema de una instalación con el ciclo regenerativo en una central térmica, lo encontramos en la figura (3.7), el correspondiente ciclo ideal en el plano Ts. En el ciclo ideal no existe diferencia térmica en los precalentadores (PM1, PM2 y PM3), ni caída de presión en los diversos conductos, algo que si ocurre en el ciclo real. Pero con frecuencia el consumo especifico de calor del ciclo real con el mismo número de precalentadores es solo del orden de un 1% más bajo que el del ciclo ideal, por lo que supone una buena aproximación al ciclo real.

10 Figura 4. Instalación de un ciclo regenerativo con tres precalentadores Ciclo regenerativo con recalentamiento intermedio Este ciclo es una combinación del ciclo con recalentamiento intermedio y del ciclo regenerativo. Este ciclo es el más utilizado en las centrales térmicas modernas porque permite aprovechar las ventajas de ambos ciclos. Por un lado, su rendimiento es elevado gracias a la aportación regenerativa, y para evitar que al final de la expansión el vapor sea demasiado húmedo, cuenta con un recalentamiento intermedio, que disminuye el grado de humedad al final de la última expansión.

11 Definiciones importantes del ciclo regenerativo Figura 5. Adición de calor Un examen cuidadoso del diagrama T-s del ciclo Rankine dibujado en la figura revela que el calor se transfiere al fluido de trabajo durante el proceso 2-2 a una temperatura relativamente baja. Esto reduce la temperatura promedio a la que se añade el calor y por consiguiente la eficiencia del ciclo. Para remediar esta deficiencia, busquemos la manera de elevar la temperatura del líquido que sale de la bomba (llamado agua de alimentación) antes de que entre a la caldera. Una posibilidad es transferir calor al agua de alimentación del vapor de expansión en un intercambiador de calor a contra flujo integrado a la turbina, esto es utilizar regeneración. Sin embargo, esta solución es impráctica debido a que es difícil diseñar tal intercambiador de calor porque incrementaría el contenido de humedad del vapor en las etapas finales de la turbina. Un proceso de regeneración práctico en las centrales eléctricas de vapor se logra con la extracción o drenado o purga del vapor de la turbina en diversos puntos. Este va porque podría producir más trabajo si se expandiera aún más en la turbina, se utiliza en cambio para calentar el agua de alimentación. El ciclo de regeneración se aplica en las centrales de poder para precalentar el agua y la alimentación que va hacia la caldera y esto se hace a través de los

12 precalentadores o simplemente calentadores del agua y alimentación que va hacia la caldera mediante una extracción o sangrado que se hace del vapor que se está expansionando en la turbina y es enviado a los intercambiadores de calor y en un caso se mezcla directamente con el agua de alimentación y en el otro caso no se mezcla, en el primero es un calentador abierto se mezcla se mezclan las masas y en segundo caso es un calentador cerrado no se mezclan las masas y como todo su sistema es de flujo estacionario tiene que aplicar un lugar por donde las masas se vuelvan a sumar. Por ejemplo en una planta, si antes se producía 1000 mil unidades de algún producto, la regeneración interviene, entonces no es que en la planta por estar produciendo 1000 unidades y que ahora con la regeneración va producir 600 sino que lo que se hace es que produce los 1000 pero ya no va estar consumiendo, lo que estaba consumiendo para esos 600 sino que produce 1000 unidades pero consume como si estuviera haciendo las 600 unidades, es decir porque con la regeneración hay un mejoramiento en el rendimiento térmico, consumiendo lo mismo produzco más, o produzco lo mismo consumiendo menos. Figura 6. Efectos de la regeneración Como se puede ver lo que se va hacer es variar el gasto que circula por la rama entre el punto 2 y el punto 7 y eso va producir un aumento en la temperatura de la entrada

13 de la caldera que es la temperatura del punto 8, en este caso lo que se hace es expresar el gasto como una porción entre el gasto que tiene la extracción de vapor y el gasto total que circula por la caldera y por la turbina de alta presión, vemos en este caso que al pasar de una proporción de gasto de 0 es decir un ciclo no regenerativo, a un 30% el trabajo del ciclo (línea azul), va aumentar entre 1500 y 1800 KJ/Kg una variación no tan importante como antes pero también de suma importancia ya que el rendimiento de la turbina va aumentar también de forma lineal en este caso al aumentar el % de vapor de la extracción, al aumentar la regeneración va aumentar valores de 0.47 y 0.51 de rendimiento. Efecto de la regeneración La potencia del ciclo se reduce de forma proporcional al gasto de la regeneración. El rendimiento aumenta de forma significativa. En las instalaciones de pequeña potencia se instalan pocos calentadores porque la mejora en rendimiento no compensa el costo de la instalación. En instalaciones de gran potencia se instalan un gran número de calentadores (7-8) hasta que el agua alcanza la temperatura de cambio de fase Siempre se utiliza uno de los calentadores (abiertos) como desaireador. Figura 7. Ciclo Rankine regenerativo

14 Conclusión Con este trabajo de investigación se puede llegar a la conclusión de que los ciclos estudiados son de gran importancia para poder entender y desarrollar conocimientos mas amplios acerca de la Termodinámica y el enfoque que esta ciencia que estudia la energía según (YUNUS A. ÇENGEL, MICHAEL A. BOLES, 2009) nos brinda, además de que da las herramientas necesarias para estudiar brevemente los diversos ciclos como el Carnot, ciclo Rankine puro, Brayton, Otto y Diesel, entre otros, y en este caso precisamente el ciclo de regeneración con el fin de fomentar su importancia en las grandes industrias. La suma importancia de esta investigación se basa en que como se mencionó en el objetivo principal del trabajo, se tiene como fin el estudio y análisis termodinámico del ciclo de Rankine regenerativo y sus modificaciones, es decir se pudo indagar sobre el ciclo regenerativo del cual se puede concluir que este ciclo tiene relación con el ciclo Rankine simple que se define como; un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, entonces la regeneración juega un papel muy importante junto al ciclo Rankine ya que ambos se integran, y la regeneración realiza en las centrales eléctricas de vapor el proceso de regeneración y este se logra con la extracción de vapor de la turbina en diversos puntos. Este vapor se utiliza para calentar el agua de alimentación (agua que sale del condensador) y el dispositivo que realiza este proceso se llama regenerador o calentador de agua de alimentación, la eficiencia del ciclo Rankine es menor que un ciclo de Carnot, porque se añade calor distinto al de la temperatura más alta, este defecto se puede compensar usando un ciclo regenerativo y es posible gracias a que en un ciclo regenerativo el calor se añade a una temperatura promedio más alta, y por eso un mayor porcentaje de este calor puede ser convertido en trabajo. Como resultado del estudio del ciclo Rankine regenerativo, se puede comprender el balance energético que ocurre en su sistema, además de aplicar los conceptos relacionados con este ciclo y se recalca un regenerador es un calentador más en el proceso, que nos permite además mejorar la eficiencia térmica de este, además para nosotros como futuros ingenieros es importante el lograr conocer y aplicar estos

15 conceptos que nos podrían ayudar a mejorar los procesos y a aumentar la eficiencia en las líneas de producción. Bibliografía Ciclo Rankine Regenerativo. (2013). Obtenido de regenerativo Experimental, U. N. (s.f.). Ciclo Rankine. YUNUS A. ÇENGEL, MICHAEL A. BOLES. (2009). TERMODINÁMICA. México, D.F.: McGRAW- HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. Ciclo termodinámico de las turbinas de gas. (2014). Obtenido de