Universidad Técnica Nacional Sede del pacífico Ingeniería en Producción Industrial Termodinámica Ciclo de Rankine Profesor: Luis Alberto Rojas Montealegre Responsables: Nicole Araya Brenes Yelba Gamboa Rodríguez Xenia Poveda González I cuatrimestre 2018
Introducción Con la realización del trabajo de Ciclo Rankine o Ciclo de Potencia de Vapor se obtendrá la eficiencia de los equipos o unidades que permiten obtener energía eléctrica a partir de la energía química que entregan los gases producto de la combustión a la caldera, la cual a su vez transforma esa energía en energía térmica cediéndola a la turbina, a través del fluido de trabajo que es el vapor de agua, está la recibe y la transforma en energía mecánica, para que finalmente el generador la convierta en energía eléctrica. 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 de todas las modificaciones es para incrementar el rendimiento de un ciclo de potencia; es aumentar la temperatura promedio a la cual el calor se transfiere real fluido de trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio a la cual el fluido de trabajo cede calor al condensador. Al ser el ciclo de Rankine un ciclo termodinámico tiene como objetivo la conversión de calor de trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Su nombre se debe a su desarrollador, el ingeniero y Físico escocés William John Macquom Rankine.. El ciclo Rankine, el cual es el ciclo ideal para las centrales eléctricas de vapor. No incluye ninguna irreversibilidad interna y está compuesto por cuatro procesos, la compresión isentrópica en una bomba,así como la adición de calor a presión constante en una caldera, la expansión isentrópica en una turbina y por último el proceso el rechazo de calor a presión constante en un condensador. A partir del ciclo ideal del Rankine se desglosaran una serie de términos conceptos, además de hacer el análisis de balance de energía y del comportamiento que presenta el ciclo Rankine, se tomara muy en cuenta la parte de cómo está actualmente en la industria y que procesos están utilizando las empresas para optimizar el proceso a nivel energético y económico.
Objetivo Estudiar el ciclo Rankine, analizando la influencia en el rendimiento termodinámico y en la calidad o título de vapor en la turbina, de los parámetros termodinámicos fundamentales que lo caracterizan y de la incorporación del recalentamiento y calentamiento regenerativo. Ciclo Rankine El ciclo Rankine es un ciclo que opera con vapor, y es el que se utiliza en las centrales termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor. Éste será llevado a una turbina donde produce energía cinética a costa de perder presión. Su camino continúa al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a estado líquido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente poder introducirlo a la caldera. Los diagramas p-v en los que interviene un líquido que se vaporiza tienen una diferencia respecto a los de gas: aparece la llamada campana de cambio de fase. A la izquierda de la campana tenemos estado líquido, que apenas varía su volumen cuando se calienta o se aumenta su presión. Por eso las líneas isotermas son casi verticales. A la derecha de la campana tenemos vapor, que se comporta como un gas, por lo que las líneas isotermas son similares a las de los gases ideales.
En el interior de la campana, el líquido se está evaporando, y las líneas de temperatura constante son horizontales. Esto es debido a que dada una presión, el calor que se le aporte al fluido no se emplea en elevar la temperatura, sino en la evaporación. - En el proceso 1-2 se aumenta la presión del líquido sin pérdidas de calor mediante un compresor o bomba, al que se aporta un pequeño trabajo. - El proceso 2-3 es una transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. Con este calor se evapora todo el líquido y se calienta el vapor hasta la temperatura máxima. - La expansión del proceso 3-4 se realiza de forma adiabática. El vapor realiza un trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta un valor bajo de presión al cual se transfiere el vapor al condensador. - El proceso 4-1 consiste en refrigerar el vapor de trabajo a presión constante en el condensador hasta el estado de líquido, para iniciar de nuevo el ciclo. El rendimiento ideal de este ciclo tiene el mismo valor que el ciclo de Carnot: Aunque jamás se alcanzan valores tan elevados. Para mejorar en lo posible el aprovechamiento del combustible quemado se somete al fluido a una serie de procesos que tienen como objeto aumentar el área encerrada por el diagrama. Entre éstos destacan los siguientes: - Precalentamiento del agua comprimida con los gases que escapan por la chimenea de la caldera. No aumenta el área del diagrama, pero sí reduce el calor que se debe introducir al ciclo.
- Recalentamiento del vapor que ha pasado por la turbina haciéndolo pasar por la caldera y después por otra turbina de baja presión. - Regeneración, que consiste en extraer parte del vapor de la turbina para precalentar el líquido antes de entrar a la caldera. Este ciclo Rankine es el que también cumplían las antiguas locomotoras y máquinas de vapor. Para realizar el trabajo se utilizaba un cilindro de doble efecto con un sistema provisto de una pieza desplazable llamada corredera cuya misión era enviar el vapor a un lado u otro del pistón: Fluido ideal para un ciclo de Rankine Las principales características que debe tener un fluido para que pueda ser utilizado eficientemente en un ciclo de Rankine, son: Alta valor del calor latente de vaporización a la temperatura a que ocurre la vaporización. Bajo valor de la capacidad calorífica del líquido. Temperatura crítica superior a la temperatura de funcionamiento más alta. No tener un valor demasiado alto de presión de vapor a la máxima temperatura de funcionamiento. Tener un valor de presión de vapor superior a la presión atmosférica para las temperaturas inferiores de funcionamiento. Bajo valor del volumen específico a las temperaturas inferiores de funcionamiento. Estar en estado líquido a la presión atmosférica y a la temperatura ambiente.
Poca variación de la Entropía con la presión. Alto valor de conductividad térmica. Ser barato, estable, abundante, no inflamable, no explosivo, no corrosivo y no venenoso. Procedimientos para aumentar la eficiencia termodinámica de un ciclo ideal de Rankine La idea para mejorar un ciclo rankine es aumentar el salto entálpico entre 1 y 2, es decir, el trabajo entregado a la turbina. Las mejoras que se realizan de forma habitual en centrales térmicas (tanto de carbón, como ciclos combinados o nucleares) son: Reducción de la presión del condensador: En este procedimiento se disminuye automáticamente la temperatura del condensador otorgando un mayor trabajo a la turbina, una disminución del calor rechazado. La desventaja es que la humedad del vapor empieza a aumentar ocasionando erosión en los alabes de la turbina. Aumentar la presión de la caldera para una temperatura fija: Al aumentar la presión aumenta la temperatura a la cual se añade calor aumentando el rendimiento de la turbina por ende la del ciclo. La desventaja es la humedad excesiva que aparece. Sobrecalentar la temperatura de entrada de la turbina: se procede a recalentar el vapor a altas temperaturas para obtener un mayor trabajo de la turbina, tiene como ventaja que la humedad disminuye. Este aumento de la temperatura está limitado por los materiales a soportar altas temperaturas. Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansión. Esto es, tener varias etapas de turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento mediante recalentadores (Moisture Steam Reheaters en el caso de centrales nucleares) y de economizador. Este escalonamiento de la expansión da lugar a los cuerpos de alta, media y baja presión de turbina. Realizar extracciones de vapor en la turbina, calentando el agua de alimentación a la caldera, aumentando su entalpía. El número de extracciones no suele superar las 7, ya que no implicaría una mejora de rendimiento considerable frente a la complicación técnica que conllevan. Ciclo de Rankine con recalentamiento El recalentamiento es un procedimiento mediante el cual no sala mente puede lograrse un ligero aumento de la eficiencia termodinámica de un ciclo de Rankine, sino también una reducción del grado de condensación en las turbinas. El ciclo con recalentamiento en su forma más simple consiste en permitir que el vapor de la caldera inicialmente sobrecalentado, se expanda primero en una turbina de alta presión hasta una presión a
la cual apenas comience la condensación, luego volver a calentar el vapor mediante un proceso a presión constante, en un equipo llamado recalentador (generalmente un haz de tubos en el interior de horno de la caldera) y finalmente expandirlo hasta la presión del condensador en una turbina de baja presión, este ciclo se puede representar como se muestra en la figura. 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 Ciclo de Rankine regenerativo En un ciclo de Rankine el condensado a la temperatura existente en el condensador es enviado a la caldera donde se produce un calentamiento (del agua) altamente irreversible. Precisamente la eficiencia del ciclo de Rankine es menor que la del de Carnot, fundamentalmente por estas irreversibilidades que se presentan en la caldera. Por lo tanto si el agua de alimentación a la caldera se puede calentar hasta la temperatura existente en la caldera, se eliminarían los efectos irreversibles del ciclo de Rankine. Lo anterior se puede hacer mediante el efecto regenerativo mostrado en la figura.
Ciclo real de Rankine Todos los procesos reales tienen alguna irreversibilidad, ya sea mecánica por rozamiento, térmica o de otro tipo. Sin embargo, las irreversibilidades se pueden reducir, pudiéndose considerar reversible un proceso cuasi estático y sin efectos disipativos. En un ciclo más realista que el ciclo Rankine ideal descrito, los procesos en la bomba y en la turbina no serían exactamente isoentrópicos y el condensador y la caldera presentarían pérdidas de carga. Todo ello generaría una reducción del rendimiento térmico del ciclo. El rendimiento isoentrópico de la turbina, que representa el grado de alejamiento de una turbina respecto al proceso ideal isoentrópico, jugaría un papel principal en las desviaciones al ciclo ideal y en la reducción del rendimiento. El rendimiento isoentálpico de la bomba y las pérdidas de carga en el condensador y la caldera tendrían una influencia mucho menor sobre la reducción de rendimiento del ciclo.
Conclusión Calor de la caldera se tomó en cuenta la sección donde el calor se sobrecalienta (generador de vapor), garantizando que a la turbina solo ingrese vapor totalmente seco de esta manera mejorar su rendimiento. Las caídas de presión entre la salida y la entrada de los dispositivos, se debe a las tuberías de la conexión, admitiendo así la diferencia que existe entre ciclo de vapor real respecto del ideal; es decir en estos no se toma en cuenta dichas caídas o diferencias. El efecto que se consigue con este ciclo es disminuir la presión del condensador, es aumentar el calor suministrado, el trabajo de salida, el rendimiento térmico y el contenido en humedad a la salida de la turbina. Las irreversibilidades de la turbina y la bomba disminuyen en el trabajo neto de salida y el rendimiento térmico, pero aumentan la calidad de vapor a la salida de la turbina. El uso de más de dos etapa de recalentamiento no es práctico, la ganancia en la eficiencia es tan pequeña que no justifica el costo y la complejidad adicional. -Si se pudiera encontrar materiales que nos permitieran sobrecalentar el vapor, el ciclo Rankine simple sería más eficiente que el ciclo de recalentamiento y entonces no sería necesario el ciclo de recalentamiento. Bibliografía http://www.juntadeandalucia.es/averroes/centrostic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/44/html/rankine.html https://www.ecured.cu/ciclo_de_rankine Van Wylen, Gordon J. Fundamentos de Termodinámica. Editorial Limusa. Decimocuarta reimpresión. México, D.F. 1989. pp. 329-333. Pons Hernández, Antonio: Termodinámica Técnica para ingenieros químicos.