Tema 11 Ciclos con vapor

Transcripción

1 ema Ciclo con vapor Ciclo con vapor: Equema. Ciclo de Rankine. Rendimiento de máquina biterma. Fluido empleado. Ciclo de Rankine imple. Factore que afectan al rendimiento (ciclo potencia). Aumento de preión en caldera. Sobrecalentamiento del vapor. Reducción de preión en condenador. Modificacione para aumentar el rendimiento (ciclo potencia). Ciclo con recalentamiento. Ciclo regenerativo. Sitema de cogeneración. Ciclo de Rankine invero

2 . Ciclo de Rankine Ciclo con circulación: itema abierto interconectado, que realizan proceo etacionario Elemento báico: Fluido que recorre un proceo cíclico Foco caliente (aporta Q c ) Foco frío (aborbe Q f ) Ciclo de Rankine: ua un vapor Q c Q f W n. Rendimiento de máquina m biterma Ciclo con circulación: itema abierto interconectado, que realizan proceo etacionario. Ciclo térmico: objetivo, producir trabajo W f η = < Q c c Ciclo frigorífico: objetivo, extraer calor de un f < 0 COP Qf = W c f f Bomba de calor: objetivo, comunicar calor a un c > 0 COP Qc = W c c f

3 . Fluido empleado en ciclo de vapor Criterio de elección Seguridad: no tóxico, ininflamable, no exploivo, no irritante Cote de la inverión y operación: precio barato; alto calor latente de vaporización (menor tamaño, luego menor cote); preione de aturación ni muy alta ni muy baja en el rango de (preione extrema aumentan el cote de la intalación) Mantenimiento: inoluble en lubricante, inactivo químicamente, no corroivo Condicione fiicoquímica: no debe olidificar en el rango de ; baja vicoidad (reduce irreveribilidade)... Fluido empleado Ciclo de potencia: cai iempre agua, cumple todo lo requiito. ratamiento químico: dealinización, eliminación de O diuelto, eliminación de microorganimo Ciclo frigorífico y bomba de calor: fluor-clorocarbono ( freone ) Han deplazado al NH por u no toxicidad. Efecto medioambientale indeeable (detruye O de etratofera, efecto invernadero). Nomenclatura comercial: Regla del 90 : R-xy = C X H Y F Z Cl (ajute) xy + 90 = XYZ

4 . Ciclo de Rankine imple Ciclo ideal teórico entre foco: ciclo de Carnot (máximo rendimiento poible) W f Ciclo de potencia: f baja, c alta η = Qc c f > 0, el foco frío e normalmente el ambiente. < c < máx, máxima que oportan lo materiale: Acero al C: 00 C Acero ferrítico: 50 C (a <570 C: Fe+H O=Fe O [magnetita, compacto]; a >570 C: Fe+H O=FeO [wutita, poroa]). Acero inoxidable autenítico: 650 C o má (má caro) Qf f Ciclo frigorífico: c - f baja, f alta COP = f depende de la aplicación W c f c > 0, el foco caliente e el ambiente. Ciclo de Rankine imple Ciclo ideal teórico: difícil de realizar c c cavitación

5 Ciclo de Rankine Ciclo ideal práctico Caldera urbina Condenación ata líquido aturado Expanión in trabajo (derrame) Válvula Ciclo de potencia Evaporación Evaporador ata vapor aturado Bomba Condenador Ciclo frigorífico Condenador Compreor urbina y bomba: Ciclo real: irreveribilidade Proceo no ioentrópico (aunque ean adiabático) Caldera: Irr. interna: pérdida de preión Irr. externa: diferencia de temperatura con ogar Condenador: Irr. interna: pérdida de preión (muco meno importante) Irr. externa: diferencia de temperatura con el refrigerante (agua) El agua del refrigerante no uele uare: pérdida

6 Ireveribilidade Ireveribilidade en turbina y bomba en turbina y bomba Rendimiento ioentrópico: urbina: = η Bomba: P v Δ = η. Factore que afectan al rendimiento. Factore que afectan al rendimiento = caldera β = condenador α β α β α tan tan ) tan ( ) tan ( = = = + = = q q q q w η c f c c n

7 emperatura media termodinámica mica En general: Si P=cte: emp. media termodinámica: d = d + d = d d = d = vdp = ( ) Limitacione:. Aumento de preión n en caldera Baja el título del vapor de alida de turbina ( ): x > 0,85 Aumento de epeor del tubo: precio, eguridad, peor tranmiión del calor Valore típico: Centrale térmica convencionale: 6 MPa Centrale upercrítica (evaporación in burbujeo): > MPa (preión crítica) c media b a ermodinámica Curo

8 . Sobrecalentamiento del vapor Aumenta la temperatura media del vapor en caldera Evita título bajo en alida de turbina ( ) Límite: reitencia térmica del material (oxidación de lo tubo de caldera). ípico: 50 C c media max b a. Reducción n de preión n en condenador Preión en el condenador: función de la temperatura de condenación v v = e + ( e ) + ( v ) v e e : temperatura del agua de refrigeración - e : calentamiento del agua de refrigeración v - : denivel térmico en el condenador

9 Preión n en el condenador v = e + ( e ) + ( v ) e : temperatura del agua de refrigeración Cambio etacionale (baja en invierno, alta en verano) Dieño: cao má defavorable v e v Preión n en el condenador e v = e + ( e ) + ( v ) - e : calentamiento del agua de refrigeración Relacionado con el calor que e debe retirar en el condenador: Q f =mc p ( - e ) = Q c (η) = W n (/η ) m depende de la diponibilidad de agua (cota o interior): Límite ecológico ( C) orre de enfriamiento + picina de reerva Para W n =00 MW, η=0,, - e = C: Q f = 0 MW, m = 000 kg/ = m /!!!

10 Preión n en el condenador v = e + ( e ) + ( v ) v - : denivel térmico en el condenador Depende del dieño (puede llegar ata C); uele er ~7 C v e v e Q Preión n en el condenador Valore típico: 0 C (, kpa) - 5 C (0 kpa) Conecuencia práctica: El condenador opera a vacío (P 0 ~00 kpa): entrada de aire por fuga Ecape de la turbina de baja preión: volumen del vapor grande. Neceario controlar eto parámetro: Velocidad del vapor: no llegar a la velocidad del onido (E c reduce el trabajo de turbina) Sección de alida: velocidad periférica de lo álabe, determinada por fatiga (~ 00 m/) Conecuencia: diviión de flujo en turbina de baja.a..b..b. ~

11 . Modificacione para mejorar el rendto.. Ciclo con recalentamiento. Ciclo regenerativo a) Regeneradore abierto b) Calentadore cerrado c) Calentadore múltiple. Cogeneración. Ciclo con recalentamiento En ciclo de Rankine imple: Aumento de P caldera: inconveniente, bajo título alida turbina Sobrecalentamiento de vapor: límite, temperatura del material Combinación de lo do efecto: Dividir la expanión de turbina en do etapa Recalentamiento intermedio del vapor

12 Ciclo con recalentamiento A B Ciclo con recalentamiento Elección de la preión intermedia: emperatura media termodinámica: recalentador > caldera Δ Δ > Δ Δ 6 Aumentan Q c y W: no neceariamente aumenta η emperatura final de la expanión intermedia (): cerca de la línea de aturación

13 c media b c a Aumento de temperatura media max P max P int P cond (a) Ciclo ideal imple de Rankine (b) Ciclo ideal con obrecalentamiento (c) Ciclo ideal con obrecalentamiento y recalentamiento. Ciclo regenerativo Precalentamiento regenerativo del agua de entrada a la caldera Mejora la temperatura media termodinámica en la calefacción Reduce irreveribilidad externa en caldera a) Regeneradore abierto b) Calentadore cerrado c) Calentadore múltiple

14 a) Regeneradore abierto Calentadore de contacto directo (de mezcla): el agua del condenador e calienta con una purga de la turbina (extracción o angría) 7 () A 6 (m) 5 B (-m) Regeneradore abierto Dieño: alida del calentador e líquido aturado (o ligeramente ubenfriado: ata C): de aí, caudal de la angría Balance entálpico en el calentador: 6 5 0= m + ( m ) 5 6 m = 5 Se ua como deaireador o degaificador: P ~ bar Aire que entra en condenador ( a vacío!) Agua decompueta en H y O a alta temp: muy oxidante Sólo una alida: líquido

15 Ventaja: Regeneradore abierto Sencillez: bajo precio Mejora el rendimiento Inconveniente Do bomba Dificultad de mezcla: burbujeo de vapor en líquido b) Calentadore cerrado Intercambiadore de calor tipo carcaa y tubo El vapor extraído condena en el exterior de lo tubo: el agua de alimentación a caldera e precalienta Do poible dieño: Vapor de extracción Vapor de extracción Agua de alimentación Agua de alimentación Hacia la línea de alta preión Bomba Condenado Condenado Válvula de etrangulación Hacia el calentador de baja preión o el condenador

16 Calentadore cerrado () A (m) B (-m) () 7 5 (m) Calentadore cerrado Dieño: alida del calentador (6) e líquido ubenfriado 6 < 7 ; agua de condenado (7): líquido aturado o ligeramente ubenfriado Balance entálpico en el calentador: = m ( 7) + ( 5 6) m = 7

17 Ventaja: Diferente preione en purga y agua de alimentación Mejora el rendimiento Facilidad de intercambio de calor Inconveniente Equipo má caro Calentadore cerrado c) Calentadore múltiplem Vario calentadore mejoran el rendimiento Elección del número: criterio económico Uno abierto (deaireador), reto cerrado Cálculo de fraccione extraída: balance energético en cadena, empezando por el regenerador de mayor preión Elección de preione de angría: e uele dividir el calentamiento en tramo iguale de

18 Ejemplo: : Central con recalentamiento y calentadore múltiple ( abierto,, cerr.) Calentadore múltiplem