(generador ) = η. Unidad 12 Cogeneración, Ciclo Combinado, Exergía

Transcripción

1 Unidad 12 ogeneración, iclo ombinado, Exergía 1) ogeneración Los gases de escape de la turbina de gas están a temperatura elevada, y permiten su utilización para producir vapor en una caldera de recuperación. Se denomina cogeneración a la utilización inada del ciclo Brayton para producir energía eléctrica y un ciclo Rankine/Hirn para producir vapor de proceso. La instalación básica de cogeneración sería: Los parámetros básicos de esta instalación son: alor entregado a los gases: G& a ( i ) Fig. 12-1: Esquema básico de cogeneración 1 3 i2 (Despreciamos el caudal de ustible). neta G& a (i3-i4 ) (i2-i1 alor entregado al agua: G& a ( i 4 i 5 ) otencia en el eje de la turbina: [ )] Definimos los rendimientos energéticos Luego, cc (ustor ) e + g (utilizaci El rendimiento del ciclo Brayton es conocido: (generador ) 1 c ; c ón del ustibl e neto :energía del ustibl e e + e) + g + & e neto Br 1 neto 1 1 Q1 Br λ 1 λ ( σ λ/ ) λ 1 σ 1 152

2 (uede corregirse para tener en cuenta las pérdidas de presión en la tal que las relaciones de compresión y expansión no sean iguales). La expresión / 1también puede ponerse en función de σ, λ, y a más de un parámetro Ω 5 / 1 tal que σ[ 1 ( 1 1/ λ) ] Ω λ 1 1 σ 1 on esto g λ 1 σ λ/ σ + λ λ 1 σ 1 Se define también la relación entre N & e y como Γ λ 1 Ω λ 1 σ 1 [ 1 ( 1 1/ λ) ] ( σ λ/ ) λ ( σ[ 1 ( 1 1/ λ) ] Ω) e g Los rendimientos del ciclo de cogeneración quedan así definidos con los parámetros del ciclo Brayton, λ, σ 5, Ω. Graficando en función de la disposición física del economizador y el evaporador:,, excepto por la temperatura de los gases de chimenea ( ) Fig. 12-2: aldera de recuperación En el economizador ( ) G& ( i i ) & a 5 G v sat cond i sat : entalpía del líquido saturado i cond : entalpía del líquido de retorno (condensado) En el evaporador G& a ( ) G& ( i i ) 4 v proc sat Eliminando los caudales y definiendo el pinch point por su temperatura pp - p ( ) [ ( + )] 5 4 i i sat proc i i cond sat 153

3 Seleccionando se obtiene 5, ya que los demás parámetros (entalpía del lado vapor/agua, emperatura del proceso, emperatura de escape de la G), son conocidos. A menor baja 5, es decir, se extrae más calor del escape, pero a mayor costo de instalación (recuperador de calor más grande). 2) iclo inado gas-vapor odas las grandes instalaciones de generación de energía eléctrica modernas utilizan el ciclo inado gas-vapor. En este ciclo el utilizador de proceso del ciclo de cogeneración es precisamente una turbina de vapor acoplada a un generador eléctrico: N & Fig 12-3: Flujo de energía en el ciclo inado N & & 2 sal,1 2,1 + neto,2 1 + neto, 1 Q e,11 neto, 2 e,2 neto ( e neto,1 ) 2 ( 1 1 ) 2 e Si 1 es un G ( 0.25) y 2 una V ( 0.40) x El rendimiento del ciclo inado es mayor que el Brayton y el Hirn. El esquema de la instalación simple y su diagrama i-s se muestran a continuación: Fig. 12-4: Esquema de la instalación simple de ciclo inado 154

4 Fig. 12-5: Diagrama i-s del ciclo inado La eficiencia del ciclo inado (y el trabajo útil) se maximizan cuanto más se aproxima el diagrama de ciclo al paralelogramo de arnot. En lo que a la G se refiere, una posible mejora consiste en el uso de paralelas para aprovechar el ángulo superior izquierdo del diagrama: El ciclo Hirn puede hacerse a dos presiones: Fig. 12-6: urbina de gas con dos 155

5 Fig. 12-7: iclo Hirn a dos presiones, esquema Fig. 12-8: iclo Hirn a dos presiones, diagrama i-s Notar lo siguiente: La bomba de inyección de alta toma líquido de alta entropía y lo comprime antes de enviarlo al evaporador de alta. Ahora hay dos posibles pinch point. La campana correspondiente a la segunda etapa está desplazada hacia la derecha (el líquido en ebullición tiene mayor entropía que el vapor que queda en el primer tramo). Existen otras variantes (3 o mas presiones, en serie o en paralelo), con lo que se logran rendimientos de ciclo inado del orden del 60%. 156

6 3) inch point y temperatura de escape. El está relacionado con la temperatura de escape 5 como ya se mostró. En una instalación con sobrecalentador podemos graficar: Fig. 12-9: emperaturas en la caldera de recuperación Al reducir se logra mayor recuperación de calor (a mayor costo de instalación), pero se reduce 5. Se debe cuidar de no reducir 5 por debajo del punto de rocío de los gases de escape ya que el agua producto de la ustión puede condensar sobre los tubos del economizador. Si los gases de escape contienen compuestos corrosivos (azufre, cloro), junto con el agua atacarán el economizador y/o la chimenea, causando grandes pérdidas materiales. 4) Exergía, rendimiento del ciclo inado. Definimos la exergía de un ciclo abierto por la función exergía φ i 0S La temperatura de referencia 0 es objeto de discusión, pero para los presentes estudios adoptamos la temperatura ambiente. El trabajo de un circuito abierto resulta entonces L φ i 0 S Es decir, la entalpía p consiste en dos partes, una utilizable y otra no-utilizable. i u i 0 S i n 0 S El factor exergético se define como Fig : Entalpía utilizable y no utilizable i ε i u 1 Definimos entonces la eficiencia del ciclo de cogeneración (ciclo inado) por el cociente de exergías: 0 S II e + B& B& 157

7 Donde B B& & II eficiencia según el 2do principio (Rendimien exergía asociada al vapor de proceso exergía asociada al ustibl e to Exergético ) Luego Luego: ε ε B& factor de exergía del calor de proceso B& factor de exergía del ustibl e II e + ε ε on la definición anterior de la eficiencia según el primer principio resulta e + I II Γ + ε 1 Γ +1 ε La exergía asociada al ustible es alta ( ε 1 ) ya que la transformación de energía potencial química en calor involucra un mínimo aumento de entropía. Luego, Γ + ε II I Γ +1 omo ε 1, II < I y el rendimiento exergético es mayor cuanto mayor sea Γ N & e /, por lo que convendría no utilizar cogeneración. Sin embrago, al aumentar la energía eléctrica producida por la g se reduce I mas que lo que aumenta ( Γ + ε )/( Γ +1), y resulta haber un valor de Γ que optimiza el rendimiento exergético II. Notar que en el condensador (suponiendo el agua de refrigeración y la condensación a temperatura ambiente 0 ), resulta i 0 S, con lo que el cambio de exergía en el condensador es nulo. El rechazo de calor al ambiente no es la causa del bajo rendimiento del ciclo Hirn; es la transmisión de calor al agua en la caldera la que reduce la exergía causando causando la pérdida de energía utilizable y bajo rendimiento: I 158

8 Fig : Diagrama i-s y exergías del ciclo Hirn ε i 5 i 2 i 5 0 ( S S ) i << 1 Lo ineficiente de la instalación radica en los procesos de ustión y transmisión de calor en la caldera, y no en los rechazos de calor. Es conveniente siempre calcular los rendimientos exergéticos de la instalación y sus componentes para identificar los procesos de bajo rendimiento. Finalmente se debe mencionar la existencia de ciclos inados con adición de ustión en la caldera de recuperación. Esto se hace para controlar la potencia variando la producción de energía eléctrica en la V y no en la G, pese a que la adición de ustible a la caldera de recuperación no es un proceso eficiente, pero es mas ventajoso que variar la potencia de la G. 159