ciclo de potencia
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FACULTAD DE INGENIERÍA ARQUITECTURA Y URBANISMO
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
ELÉCTRICA
CURSO : Máquinas Térmicas
DOCENTE : Dr. Jorge Olortegui Yume
TEMA : Ciclo de potencia regenerativo
INTEGRANTES : Heredia Fernández Cesar
Vílchez López Kevin Elem Jordy
Yarlequé Chunga Jorge Alfredo
Viernes, 4 de julio de 2014
CICLO DE POTENCIA
Ciclos de potencia regenerativo
Analizando el diagrama T-s, del ciclo Rankine, nos
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.
Pera 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 e transferir calor al
agua de alimentación del vapor de expansión en un
intercambiador de calor a contraflujo integrado a la
turbina, esto es utilizar regeneración.
Un proceso de regeneración practico en las centrales eléctricas de vapor se logra con
extracción o drenado o purga de vapor de a turbina en diversos puntos. Este vapor que
podría producir más trabajo si se expandiera aún más en la turbina, se utiliza en cambio
para calentar el agua de alimentación. El dispositivo donde el agua de alimentación se
calienta mediante regeneración se llama regenerador o calentador de agua de
alimentación (CAA)
CALENTADORES CERRADOS DE AGUA DE ALIMENTACION
Un 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. 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 liquido saturado a 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.
El esquema de la central eléctrica de vapor con un calentador cerrado de agua
de alimentación y el diagrama T-s del ciclo se muestra en la sig. figura:
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 siguiente:
Ejemplo:
Considere una planta termoeléctrica de vapor de agua que opera en el ciclo Rankine
regenerativo con un calentador cerrado de agua de alimentación como se muestra en la
fig. La planta mantiene la entrada de la turbina a 3MPa y 350 °C, y opera el condensador
a 20 KPa. Se extrae vapor a 1MPa para servicio del calentador cerrado de agua de
alimentación, que se descarga en un condensador después de estrangularse a la presión
del condensador. Calcule el trabajo que produce la turbina, el trabajo que consume la
bomba, el suministro de calor en la caldera para este ciclo, por unidad de flujo en la
caldera, el trabajo neto y el rendimiento térmico.
Estado 1:
h1 = = 251, 42 KJ/Kg
v1 = = 0.001017 m3/Kg
p, in = v1 (P2-P1)
= (0.001017 m3 /Kg) (300-20) KPa (
= 3.03 KJ/Kg
Estado 2:
Estado 4: (P4 = 3MPa; T4 = 350°C)
Estado 5: (P5 = 1MPa; s5 = s4)
Estado 6: (P6 =20KPa; s6 = s4)
( ( ⁄
Para un ciclo ideal con calentador cerrado de agua de alimentación, el agua de
alimentación se calienta a la temperatura de salida del vapor extraído, que idealmente
sale del calentador como un líquido saturado a la presión de extracción.
Estado 7: (P7 = 1MPa)
= 762.51 KJ/Kg
= 179.53 °C
Estado 3: (P3 =3 MPa; T3= T7 = 209.9 ° C)
= 763.53 KJ/ Kg
Un balance de energía en el intercambiador de calor da la fracción de vapor extraído de la
turbina para el calentador cerrado de agua de alimentación:
∑ ∑
Despejando y:
Reemplazando para hallar trabajo en la turbina:
= ( (
= ( ( =740.9 KJ/Kg
También:
CALENTADORES MÚLTIPLES DEL AGUA DE ALIMENTACIÓN
La eficiencia térmica del ciclo de regeneración se puede aumentar mediante la
incorporación de varios calentadores de agua de alimentación a presiones
convenientemente elegidas. El número de calentadores de agua de alimentación
utilizadas se basa en consideraciones económicas, porque los aumentos en la eficiencia
térmica conseguida con cada calefactor adicional debe justificar los costes de capital
añadidos. La figura muestra el diseño de una planta de energía con tres calentadores de
agua de alimentación cerrados y un calentador abierto. Las plantas de energía con
múltiples calentadores de agua de alimentación normalmente tienen al menos un
calentador de agua de alimentación abierto que funciona a una presión mayor que la
presión atmosférica para que el oxígeno y otros gases disueltos puedan ser ventilados del
ciclo. Este procedimiento es necesario, para mantener la pureza del fluido de trabajo con
el fin de minimizar la corrosión, y es conocida como desgasificación. Las plantas de
energía reales tienen muchas de las mismas características básicas como la que se
muestra en la figura.
El análisis de los ciclos de potencia de vapor regenerativos con múltiples calentadores de
agua, una buena práctica es basar el análisis en una unidad de masa que entra en la
primera etapa de la turbina. Para aclarar las cantidades de materia que fluye a través de
los diversos componentes de la planta, las fracciones del flujo total eliminado en cada
punto de extracción y la fracción del flujo total restante en cada punto de estado en el ciclo
deben ser etiquetadas en un diagrama esquemático del ciclo. Las fracciones extraídas se
determinan a partir de los balances de masa y el tipo de energía para volúmenes de
control alrededor de cada uno de los calentadores de agua de alimentación, comenzando
con el calentador de alta presión y luego a cada calentador baja presión. Este
procedimiento se utiliza en el siguiente ejemplo que implica un ciclo de recalentamiento de
vapor de potencia regenerativa con dos calentadores de agua de alimentación, un
calentador de agua de alimentación abierta y un calentador de agua de alimentación
cerrado.
Ejemplo.
Teniendo en cuenta un ciclo Recalentamiento - Regenerativa con dos calentadores de
agua de alimentación.
Considere la posibilidad de un ciclo de potencia de vapor regenerativo con
recalentamiento con dos calentadores de agua, un calentador de agua de alimentación
cerrado y un calentador de agua de alimentación abierto. El vapor entra en la primera
turbina a 8,0 MPa, 480°C y amplía a 0,7 MPa. El vapor de agua se vuelve a calentar a
440°C antes de entrar en la segunda turbina, donde se expande a la presión del
condensador de 0,008 MPa. El vapor se extrae de la primera turbina a 2 MPa y se
alimenta al calentador de agua de alimentación cerrado. El agua de alimentación sale del
calentador cerrado a 205°C y 8,0 MPa, y sale del condensador como líquido saturado a 2
MPa. El condensador se encuentra atrapado en el calentador de agua de alimentación
abierta. El vapor extraído de la segunda turbina a 0,3 MPa también se introduce en el
calentador de agua de alimentación abierta, que opera a 0,3 MPa. El vapor que sale del
calentador de agua de alimentación abierta es líquido saturado a 0,3 MPa. La potencia
neta del ciclo es de 100 MW. No hay transferencia de calor de ningún componente a los
alrededores. Si el fluido de trabajo no experimenta irreversibilidades a medida que pasa a
través de las turbinas, bombas, generadores de vapor, recalentador, y el condensador,
determinar (a) la eficiencia térmica, (b) la tasa de flujo másico del vapor que entra en la
primera turbina, en kg / h.
Estado 1. Vapor sobrecalentado
⁄ ; ⁄
Estado 2. Interpolando
⁄ ;
Estado 3.
⁄ ;
Estado 4. Vapor sobrecalentado.
⁄ ; ⁄
Estado 5. Interpolando
; ⁄
Estado 6. Se calcula calidad
; ; de donde ⁄
Estado 7. Tabla
⁄
Estado 8. La entalpía específica a la salida de la primera bomba.
⁄
(
Estado 9. Liquido saturado
⁄
Estado 10. La entalpía específica a la salida de la segunda bomba.
(
Estado 11. La entalpía específica a 8 MPa y 205°C es.
⁄
(
Estado 12. Tabla
⁄
Estado 13. Estrangulación
⁄
La fracción de flujo se puede determinar mediante la aplicación de balances de masa y
de tipo de energía para un volumen de control que encierra el calentador cerrado. El
resultado es:
La fracción de flujo se puede determinar mediante la aplicación de balances de masa y
de tipo de energía para un volumen de control que encierra el calentador abierto, lo que
resulta:
(
(
Seguidamente se calcula el trabajo realizado por la primera turbina, de la siguiente
manera:
( ( (
(
Para la turbia 2 el procedimiento es similar:
( ( ( (
( (
De igual manera hallamos el trabajo para la bomba 1 y para la bomba 2.
Bomba 1.
( (
(
Bomba 2.
(
El calor añadido total es la suma de la energía añadida por transferencia de calor durante
la ebullición / sobrecalentamiento y recalentamiento. Cuando se expresa sobre la base de
una unidad de masa de entrar en la primera turbina, esto es:
( ( (
(
Con los valores obtenidos anteriormente la eficiencia térmica es:
La tasa de flujo másico en la entrada de la primera turbina puede ser determinada usando
el valor de la potencia de salida neta. De la siguiente forma:
( ⁄ ( ⁄
⁄