UNIVERSIDAD TÉCNICA NACIONAL INGENIERÍA EN PRODUCCIÓN INDUSTRIAL TERMODINAMICA TEMA: CICLO DE RECALENTAMIENTO PROFESOR: LUIS ROJAS

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1 UNIVERSIDAD TÉCNICA NACIONAL INGENIERÍA EN PRODUCCIÓN INDUSTRIAL TERMODINAMICA TEMA: CICLO DE RECALENTAMIENTO PROFESOR: LUIS ROJAS INTEGRANTES: DANIELA SANCHO ROJAS ESTEFANY VINDAS CARMONA PUNTARENAS ABRIL, 2018

2 INTRODUCCION Vamos a ver por medio de esta investigación el uso del Ciclo rankine ideal con recalentamiento, las dos posibilidades que existen en este ciclo, para obtener conocimiento de materia de estudia para la clase y así comprender la utilización de este proceso en la industria. El ciclo de Rankine ideal con recalentamiento es el ciclo ideal que sirve de base al funcionamiento de las centrales térmicas con turbinas de vapor, caldera, bomba y condensador, 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 del combustible. La idea básica detrás del recalentamiento es tener como único propósito del ciclo reducir el contenido de humedad del vapor en las etapas finales del proceso de expansión. Y así todas las modificaciones para incrementar el rendimiento de un ciclo 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. Y también se realizará como forma de estudio y de practica un ejemplo de este proceso donde se utilizarán las fórmulas y la teoría explicada por medio de un video donde se interpreta paso a paso la resolución del ejercicio sobre este tema. 3

3 EL CICLO RANKINE IDEAL CON RECALENTAMIENTO Que es recalentamiento Es la condición inestable de un cuerpo cuya temperatura rebasa la del equilibrio que corresponde a dicho estado. Estado de un liquido cuya temperatura es superior a su punto de ebullición. Cómo podemos aprovechar las mayores eficiencias a presiones más altas de la caldera sin tener que enfrentar el problema de humedad excesiva en las etapas finales de la turbina? Se puede pensar en dos posibilidades: 1. Sobrecalentar el vapor a temperaturas muy altas antes de que entre a la turbina. Ésta sería la solución deseable porque la temperatura promedio a la que se añade calor también se incrementaría, lo cual aumentaría la eficiencia del ciclo. Sin embargo, no es una solución viable ya que requiere elevar la temperatura del vapor hasta niveles metalúrgicamente inseguros. 2. Expandir el vapor en la turbina en dos etapas y recalentarlo entre ellas. En otras palabras, modificar el ciclo Rankine ideal simple con un proceso de recalentamiento. El recalentamiento es una solución práctica al problema de humedad excesiva en turbinas y es comúnmente utilizada en modernas centrales eléctricas de vapor. (YUNUS A. ÇENGEL, 2011) El diagrama T-s del ciclo Rankine ideal con recalentamiento y el esquema de la central eléctrica que opera en este ciclo se muestran en la figura

4 . El ciclo Rankine ideal con recalentamiento difiere del ciclo Rankine ideal simple en que el proceso de expansión sucede en dos etapas. En la primera (la turbina de alta presión), el vapor se expande isentrópicamente hasta una presión intermedia y regresa a la caldera donde se recalienta a presión constante, por lo general hasta la temperatura de entrada de la turbina de la primera etapa. Después, el vapor se expande isentrópicamente en la segunda etapa (turbina de baja presión) hasta la presión del condensador. De modo que la entrada de calor total y la salida total de trabajo de la turbina en un ciclo de recalentamiento vienen a ser: La incorporación de un recalentamiento simple en una central eléctrica moderna mejora la eficiencia del ciclo en 4 o 5 por ciento, ya que se incrementa la temperatura promedio a la cual el calor se transfiere al vapor. La temperatura promedio durante el proceso de recalentamiento puede incrementarse aumentando el número de etapas de expansión y recalentamiento. 5

5 Cuando se hace esto, los procesos de expansión y recalentamiento se acercan a un proceso isotérmico a la temperatura máxima, como se muestra en la figura. Sin embargo, el uso de más de dos etapas de recalentamiento no es práctico. (YUNUS A. ÇENGEL, 2011) El mejoramiento teórico en la eficiencia debido al segundo recalentamiento es cercano a la mitad del mejoramiento debido a un solo recalentamiento. Si la presión de entrada de la turbina no es lo suficientemente alta, el doble recalentamiento resulta en un escape sobrecalentado. Esto es indeseable por que causaría que la temperatura promedio para el rechazo de calor aumente y de esta manera la eficiencia del ciclo disminuya. Por lo tanto, el doble recalentamiento se utiliza solamente en centrales eléctricas de presión super crítica (P > MPa). Una tercer a etapa de recalentamiento incrementa la eficiencia del ciclo en casi la mitad de la mejora alcanzada por el segundo recalentamiento. Esta ganancia es tan pequeña que no justifica el costo y la complejidad adicionales. (YUNUS A. ÇENGEL, 2011) 6

6 Beneficios del ciclo Rankine Con Recalentamiento. Pequeño aumento en el rendimiento del ciclo, por lo tanto, un ahorro en los requerimientos de energía. Aumenta el tiempo de vida útil de la turbina. El ciclo Rankine de por sí, se utiliza para generar energía eléctrica La eficiencia del ciclo Rankine con recalentamiento puede incrementarse también aumentando la presión de operación en la caldera. Sin embargo, un aumento en la presión de operación de la caldera origina un mayor grado de humedad en los últimos pasos de la turbina. Este problema puede solucionarse haciendo uso de recalentamiento, en donde el vapor a alta presión procedente de la caldera se expande solo parcialmente en una parte de la turbina, para volver a ser recalentado en la caldera. Posteriormente, el vapor retorna a la turbina, en donde se expande hasta la presión del condensador. Efecto del recalentamiento El recalentamiento por sí solo no mejora el rendimiento de forma relevante. Existe una presión de recalentamiento óptima en torno a 1/4 de la presión en la caldera. La potencia del ciclo se reduce de forma proporcional al gasto de la regeneración. El rendimiento aumenta de forma proporcional. Las temperaturas de recalentamiento son muy cercanas o iguales a la temperatura de entrada a la turbina. 7

7 El ciclo de recalentamiento fue introducido a mediados de la década de 1920, pero fue abandonado en los años de 1930 debido a las dificultades operacionales. Con el tiempo, al final de los años de 1940 el aumento constante en las presiones de la caldera hizo necesario reintroducir un solo recalentamiento, así como el doble recalentamiento a principios de la década de Las temperaturas de recalentamiento son muy cercanas o iguales a la temperatura de entrada a la turbina. La presión de recalentamiento óptima se acerca a un cuarto de la presión máxima del ciclo. Por ejemplo, la presión óptima de recalentamiento para un ciclo con una presión de caldera de 12 MPa es aproximadamente de 3 MPa. Recuerde que el único propósito del ciclo de recalentamiento es reducir el contenido de humedad del vapor en las etapas finales del proceso de expansión. Si se contara con materiales que soportaran temperaturas suficientemente altas, no habría necesidad del ciclo de recalentamiento. (YUNUS A. ÇENGEL, 2011) EJEMPLO 10-4 El ciclo Rankine ideal con recalentamiento Considere una central eléctrica de vapor que opera en el ciclo Rankine ideal con recalentamiento. El vapor entra a la turbina de alta presión a 15 MPa y 600 C y se condensa a una presión de 10 kpa. Si el contenido de humedad del vapor a la salida de la turbina de baja presión no excede 10.4 % determine a) la presión a la que el vapor se debe recalentar y b) la eficiencia térmica del ciclo. Suponga que el vapor se recalienta hasta la temperatura de entrada de la turbina de alta presión. (YUNUS A. ÇENGEL, 2011) Solución: Se tiene una central eléctrica de vapor que opera con el ciclo Rankine ideal con recalentamiento. Se determinarán la presión de recalentamiento y la eficiencia térmica para un contenido de humedad especificado a la salida de la turbina. 8

8 Suposiciones: Existen condiciones estacionarias de operación. Los cambios en las energías cinética y potencial son insignificantes. Análisis: El esquema de la central y el diagrama T-s del ciclo se presentan en la figura Se observa que la central opera en el ciclo Rankine ideal con recalentamiento, la turbina y la bomba son isentrópicas, no hay caídas de presión en la caldera ni en el condensador, y el vapor sale del condensador y entra a la bomba como líquido saturado a la presión del condensador. a) La presión de recalentamiento se determina a partir del requerimiento de que las entropías en los estados 5 y 6 sean las mismas: Por lo tanto, el vapor debe recalentarse a una presión de 4 MPa o menor para evitar un contenido de humedad superior a 10.4 por ciento. 9

9 b) Para determinar la eficiencia térmica, es necesario saber las entalpías en todos los demás estados: 10

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11 Conclusión: Con este trabajo concluimos que la eficiencia del ciclo Rankine puede incrementarse también aumentando la presión de operación en la caldera. Sin embargo, un aumento en la presión de operación de la caldera origina un mayor grado de humedad en los últimos pasos de la turbina. Este problema puede solucionarse haciendo uso de recalentamiento, en donde el vapor a alta presión procedente de la caldera se expande solo parcialmente en una parte de la turbina, para volver a ser recalentado en la caldera. Posteriormente, el vapor retorna a la turbina, en donde se expande hasta la presión del condensador. También el ciclo Rankine con recalentamiento puede ayudar a elevar mínimamente la eficiencia del ciclo, pero se usa para alargar el tiempo de vida de la turbina. Idealmente podríamos usar una cantidad infinita de recalentamientos para continuar elevando la eficiencia pero en la práctica solo se usan dos o tres, ya que la ganancia de trabajos es muy pequeña. 12

12 Bibliografía (s.f.). Berman, I. (22 de enero de 2013). acerca de nosotros in slidere shere. Obtenido de in slidere shere: Moran, M. J. (2005). Fundamentos de Termodinamica Tecnica. Barcelona: Editorial Reverte. S. A. YUNUS A. ÇENGEL, M. A. (2011). Termodinamica. Mexico: McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.. Segura Clavell, José. Termodinámica técnica. Barcelona: Reverté,