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PARTICULAR DE LOJAPARTICULAR DE LOJA

CICLOS DE POTENCIA DE CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR Y COMBINADOSVAPOR Y COMBINADOS

EL CICLO DE VAPOR DE EL CICLO DE VAPOR DE CARNOTCARNOT

• El ciclo de Carnot no es un modelo apropiado El ciclo de Carnot no es un modelo apropiado para los ciclos de potencia.para los ciclos de potencia.

• A lo largo de todo el análisis se considera al A lo largo de todo el análisis se considera al vapor como el fluido de trabajo, puesto que su vapor como el fluido de trabajo, puesto que su empleo predomina en los ciclos de potencia de empleo predomina en los ciclos de potencia de vapor.vapor.

• Con este ciclo se asocian varias situaciones Con este ciclo se asocian varias situaciones impropias:impropias:

• 1. La transferencia isotermica de calor hacia o 1. La transferencia isotermica de calor hacia o desde un sistema de dos fases no es difícil de desde un sistema de dos fases no es difícil de alcanzar en la practica, puesto que a una alcanzar en la practica, puesto que a una presión constante en el dispositivo fijará presión constante en el dispositivo fijará automáticamente la temperatura en el valor de automáticamente la temperatura en el valor de saturación.saturación.

• 2. El proceso de expansión isentrópica 2. El proceso de expansión isentrópica (proceso 2-3). Puede lograrse por medio de (proceso 2-3). Puede lograrse por medio de una turbina bien diseñada.una turbina bien diseñada.

• 3. El proceso de comprensión isentrópica 3. El proceso de comprensión isentrópica (proceso 4-1) implica la compresión de una (proceso 4-1) implica la compresión de una mezcla de liquido-vapor hasta un liquido mezcla de liquido-vapor hasta un liquido saturado.saturado.

CICLO DE RANKINE: EL CICLO CICLO DE RANKINE: EL CICLO IDEAL PARA LOS CICLOS DE IDEAL PARA LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPORPOTENCIA DE VAPOR

• Es posible eliminar muchos aspectos Es posible eliminar muchos aspectos imprácticos asociados con el ciclo de Carnot si imprácticos asociados con el ciclo de Carnot si el vapor es sobrecalentado en la caldera y se el vapor es sobrecalentado en la caldera y se condensa por completo en el condensador.condensa por completo en el condensador.

• El ciclo resultante es el El ciclo resultante es el ciclo de Rankineciclo de Rankine, que es , que es el ciclo ideal para las plantas de potencia de el ciclo ideal para las plantas de potencia de vapor.vapor.

• El ciclo de Rankine ideal no incluye ninguna El ciclo de Rankine ideal no incluye ninguna irreversibilidad interna y esta compuesto por los irreversibilidad interna y esta compuesto por los siguientes cuatro procesos:siguientes cuatro procesos:

• 1-2 Compresión isoentrópica en una bomba.1-2 Compresión isoentrópica en una bomba.

• 2-3 Adición de calor a presión constante en una 2-3 Adición de calor a presión constante en una calderacaldera

• 3-4 Expansión isoentrópica en una turbina 3-4 Expansión isoentrópica en una turbina

• 4-1 Rechazo de calor a presión constante en un 4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador.condensador.

ANALISIS DE ENERGIA DEL ANALISIS DE ENERGIA DEL CICLO RANKINECICLO RANKINE

• Los componentes asociados con el ciclo Rankine Los componentes asociados con el ciclo Rankine (bomba, caldera, turbina y condensador) son (bomba, caldera, turbina y condensador) son dispositivos de flujo estable.dispositivos de flujo estable.

• Los cambios en la energía cinética y potencial de Los cambios en la energía cinética y potencial de vapor suelen ser pequeños con respecto de los vapor suelen ser pequeños con respecto de los términos de trabajo y de transferencia de calor , términos de trabajo y de transferencia de calor , y por consiguiente, se ignoran.y por consiguiente, se ignoran.

• De ese modo, la ecuación de energía de flujo De ese modo, la ecuación de energía de flujo estable por unidad de masa se reduce aestable por unidad de masa se reduce a

(q(qentraentra-q-qsalesale)+(W)+(Wentraentra-W-Wsalesale)=h)=hee-h-hii (KJ/Kg) (KJ/Kg)

La caldera y el condensador no incluyen ningún La caldera y el condensador no incluyen ningún trabajo, y se supone que la bomba y la turbina trabajo, y se supone que la bomba y la turbina son isoentrópicas. En ese caso la relación de la son isoentrópicas. En ese caso la relación de la conservación de la energía para cada dispositiva conservación de la energía para cada dispositiva se expresa como sigue: se expresa como sigue:

..

• Bomba (q=0) WBomba (q=0) Wbombabomba=h=h22-h-h11

ó, Wó, Wbombabomba=v (P=v (P22-P-P11))

Caldera (w=0) qCaldera (w=0) qenen=(h=(h33-h-h22) )

Turbina (q=0) WTurbina (q=0) Wturb, salturb, sal=(h=(h33-h-h4 4 ) )

Condensador (w=0) qCondensador (w=0) qsalsal =(h =(h44-h-h1 1 ))

La eficiencia termica del ciclo Rankine se La eficiencia termica del ciclo Rankine se determina a partir de:determina a partir de:

• DESVIACION DE LOS CICLOS DE DESVIACION DE LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR REALES POTENCIA DE VAPOR REALES

RESPECTO DE LOS IDEALIZADOSRESPECTO DE LOS IDEALIZADOS

en

sal

en

neto

q

q

q

W −== 1η

¿COMO INCREMENTAR LA ¿COMO INCREMENTAR LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE?EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE?

• Pequeños aumentos en la eficiencia térmica Pequeños aumentos en la eficiencia térmica significan grandes ahorros en los requerimientos significan grandes ahorros en los requerimientos de combustible.de combustible.

• La T promedio del fluido debe ser lo más alta La T promedio del fluido debe ser lo más alta posible durante la adición de calor y lo más baja posible durante la adición de calor y lo más baja posible durante el rechazo de calor.posible durante el rechazo de calor.

• Hay tres maneras de lograr esto en el ciclo ideal Hay tres maneras de lograr esto en el ciclo ideal de de RankineRankine simple: simple:

Reducción de la presión del condensador:Reducción de la presión del condensador:• La reducción de la presión de operación del La reducción de la presión de operación del

condensador reduce automáticamente la condensador reduce automáticamente la temperatura del vapor, en consecuencia, es la temperatura del vapor, en consecuencia, es la temperatura a la cual el calor se rechaza.temperatura a la cual el calor se rechaza.

• Para aprovechar el aumento de eficiencia a bajas Para aprovechar el aumento de eficiencia a bajas presiones, los condensadores de las plantas de presiones, los condensadores de las plantas de energía de vapor suelen operar muy por debajo energía de vapor suelen operar muy por debajo de la presión atmosférica, puesto que los ciclos de la presión atmosférica, puesto que los ciclos de potencia de vapor operan en un circuito de potencia de vapor operan en un circuito cerrado.cerrado.

FIGURA 9 El efecto de sobrecalentar el vapor hasta temperaturas elevadas en el ciclo Rankine ideal.

Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas:Es posible elevar la temperatura promedio a la que se añade calor al vapor a altas temperaturas. Tiene un efecto disminuye el contenido de humedad del vapor a la salida de la turbina.La temperatura a la que el vapor se sobrecalienta está limitada por consideraciones metalúrgicas.

FIGURA 9 El efecto de sobrecalentar el vapor hasta temperaturas elevadas en el ciclo Rankine ideal.

Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas:Es posible elevar la temperatura promedio a la que se añade calor al vapor a altas temperaturas. Tiene un efecto disminuye el contenido de humedad del vapor a la salida de la turbina.La temperatura a la que el vapor se sobrecalienta está limitada por consideraciones metalúrgicas.

Incremento de la presión de la caldera:Incremento de la presión de la caldera:• Otra manera de aumentar la temperatura Otra manera de aumentar la temperatura

promedio durante el proceso de adición de calor promedio durante el proceso de adición de calor es incrementar la presión de operación de la es incrementar la presión de operación de la caldera, lo que eleva automáticamente la caldera, lo que eleva automáticamente la temperatura de ebullición (promedio), a la que se temperatura de ebullición (promedio), a la que se le añade calor al vapor, y de ese modo se le añade calor al vapor, y de ese modo se incrementa la eficiencia térmica del ciclo.incrementa la eficiencia térmica del ciclo.

• FIGURA 9.8FIGURA 9.8• El efecto de incrementar la presión de la caldera El efecto de incrementar la presión de la caldera

en el ciclo Rankine ideal.en el ciclo Rankine ideal.

EL CICLO DE RANKINE IDEAL EL CICLO DE RANKINE IDEAL CON RECALENTAMIENTOCON RECALENTAMIENTO

• ¿Cómo es posible aprovechar las mayores ¿Cómo es posible aprovechar las mayores eficiencias a presiones más altas de caldera eficiencias a presiones más altas de caldera sin encarar el problema de humedad sin encarar el problema de humedad excesiva en las etapas finales de la turbina?excesiva en las etapas finales de la turbina?

• Hay dos posibilidades de respuesta:Hay dos posibilidades de respuesta:– Sobrecalentar el vapor a temperaturas muy altas Sobrecalentar el vapor a temperaturas muy altas

antes de que entre a las turbinas.antes de que entre a las turbinas.– Expandir el vapor en la turbina en dos etapas y Expandir el vapor en la turbina en dos etapas y

recalentarlo entre ellas.recalentarlo entre ellas.

FIGURA 9.11El ciclo Rankine ideal con recalentamiento.

• El ciclo Rankine ideal con recalentamiento difiere del ciclo El ciclo Rankine ideal con recalentamiento difiere del ciclo Rankine ideal simple en que el proceso de expansión sucede en Rankine ideal simple en que el proceso de expansión sucede en dos etapas:dos etapas:

• En la primera etapa.- la turbina de alta presión, el vapor se En la primera etapa.- la turbina de alta presión, el vapor se expande isoentrópicamente hasta una presión intermedia y expande isoentrópicamente hasta una presión intermedia y se regresa a la caldera donde se recalienta a presión se regresa a la caldera donde se recalienta a presión constante.constante.

• En la segunda etapa el vapor se expande (turbina de baja En la segunda etapa el vapor se expande (turbina de baja presión) hasta la presión del condensador. De modo que presión) hasta la presión del condensador. De modo que la entrada de calor total y la salida total de trabajo de la la entrada de calor total y la salida total de trabajo de la turbina en un ciclo de recalentamiento vienen a ser:turbina en un ciclo de recalentamiento vienen a ser:

)()(

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65431

4523

hhhhwww

y

hhhhqqq

turbinaIIturbinaneto

ientorecalentamprimarioentra

−+−=+=

−+−=+=

EL CICLO RANKINE IDEAL EL CICLO RANKINE IDEAL REGENERATIVOREGENERATIVO

El dispositivo donde el agua de alimentación se calienta El dispositivo donde el agua de alimentación se calienta mediante regeneración se llama regenerador o calentador de mediante regeneración se llama regenerador o calentador de agua de alimentación.agua de alimentación.

La regeneración de agua de alimentación se da por:La regeneración de agua de alimentación se da por:Calentadores abiertos de agua de alimentaciónCalentadores abiertos de agua de alimentación– Un calentador abierto de agua de alimentación es un cámara Un calentador abierto de agua de alimentación es un cámara

de mezclado, donde el vapor extraído de la turbina se de mezclado, donde el vapor extraído de la turbina se mezcla con el agua de alimentación que sale de la bomba.mezcla con el agua de alimentación que sale de la bomba.

– En un ciclo de Rankine ideal regenerativo el vapor entra a la En un ciclo de Rankine ideal regenerativo el vapor entra a la turbina a la presión de la caldera y se expande turbina a la presión de la caldera y se expande isoentrópicamente hasta una presión intermedia, se extrae isoentrópicamente hasta una presión intermedia, se extrae un poco de vapor y se envía al calentador de agua de un poco de vapor y se envía al calentador de agua de alimentación, el vapor continúa su expansión.alimentación, el vapor continúa su expansión.

COGENERACIÓNCOGENERACIÓN

• En todos los ciclos analizados hasta ahora, el único propósito fue En todos los ciclos analizados hasta ahora, el único propósito fue convertir parte del calor transferido al fluido de trabajo en convertir parte del calor transferido al fluido de trabajo en trabajo. La parte restante del calor se libera en ríos, lagos, trabajo. La parte restante del calor se libera en ríos, lagos, océanos, la atmósfera como calor de desecho debido a que su océanos, la atmósfera como calor de desecho debido a que su calidad es demasiada baja.calidad es demasiada baja.

• Sin embargo, existen otros sistemas o dispositivos requieren la Sin embargo, existen otros sistemas o dispositivos requieren la entrada de energía en forma de calor, llamada calor de proceso. entrada de energía en forma de calor, llamada calor de proceso.

• Por tanto, desde el punto de vista de la ingeniería, es más Por tanto, desde el punto de vista de la ingeniería, es más económico emplear el potencial de trabajo ya existente para económico emplear el potencial de trabajo ya existente para producir potencia, en vez de permitir que se desperdicie.producir potencia, en vez de permitir que se desperdicie.

• En general, la cogeneración es la producción de más de una En general, la cogeneración es la producción de más de una forma útil de energía (como calor de proceso y energía eléctrica) forma útil de energía (como calor de proceso y energía eléctrica) a partir de la misma fuente de energía. a partir de la misma fuente de energía.

• Factor de utilización para una planta de cogeneraciónFactor de utilización para una planta de cogeneración

uε

⋅

⋅⋅−

=en

pneto

Q

QWµε

⋅

⋅

−=en

salu

Q

Q1ε

CICLOS DE POTENCIA COMBINADOS DE GAS-VAPORCICLOS DE POTENCIA COMBINADOS DE GAS-VAPOR

• El más popular incluye un ciclo de potencia de gas que remata a El más popular incluye un ciclo de potencia de gas que remata a un ciclo de potencia de vapor, que se denomina ciclo combinado un ciclo de potencia de vapor, que se denomina ciclo combinado de gas-vapor, o sólo ciclo combinado. de gas-vapor, o sólo ciclo combinado.

• CARACTERISTICASCARACTERISTICAS - - La turbina de gas operan a temperaturas mucho más altas que los La turbina de gas operan a temperaturas mucho más altas que los

ciclos de vapor.ciclos de vapor. - La temperatura máxima del fluido a la entrada de la turbina es - La temperatura máxima del fluido a la entrada de la turbina es

cercana a 620°C (1 150°F) en las modernas plantas de potencia cercana a 620°C (1 150°F) en las modernas plantas de potencia de vaporde vapor

- Mientras que está por encima de 1 150°C (2 100°F) en las plantas - Mientras que está por encima de 1 150°C (2 100°F) en las plantas de potencia de turbina de gas. de potencia de turbina de gas.

• Desde el punto de vista de la ingeniería, es conveniente Desde el punto de vista de la ingeniería, es conveniente aprovechar las características deseables del ciclo de turbina de gas aprovechar las características deseables del ciclo de turbina de gas a altas temperaturas y emplear los gases de escape de alta a altas temperaturas y emplear los gases de escape de alta temperatura como la fuente de energía en un ciclo inferior, como temperatura como la fuente de energía en un ciclo inferior, como un ciclo de potencia de vapor. un ciclo de potencia de vapor.

CICLOS BINARIOS DE VAPORCICLOS BINARIOS DE VAPORCon la excepción de unas cuantas aplicaciones Con la excepción de unas cuantas aplicaciones especializadas, el fluido de trabajo predominante en los especializadas, el fluido de trabajo predominante en los ciclos de potencia con vapor es agua.ciclos de potencia con vapor es agua.

El ciclo binario es un intento por superar algunas de las El ciclo binario es un intento por superar algunas de las deficiencias del agua y para aproximarse al fluido de deficiencias del agua y para aproximarse al fluido de trabajo ideal mediante dos fluidos.trabajo ideal mediante dos fluidos.

CARACTERÍSTICAS DEL FLUIDOCARACTERÍSTICAS DEL FLUIDO• Una temperatura crítica elevada y una presión máxima Una temperatura crítica elevada y una presión máxima segura. segura.• Baja temperatura del punto triple.Baja temperatura del punto triple.

• Una presión del condensador que no sea demasiado baja.Una presión del condensador que no sea demasiado baja.• Una elevada entalpía de vaporización (hfg) de manera que la Una elevada entalpía de vaporización (hfg) de manera que la

transferencia de calor se aproxime a una isotérmica y no sean transferencia de calor se aproxime a una isotérmica y no sean necesarias grandes tasas de flujo másico.necesarias grandes tasas de flujo másico.

• Una curva de saturación que asemeje a una U invertida. Esto Una curva de saturación que asemeje a una U invertida. Esto eliminara la formación de humedad excesiva en la turbina y la eliminara la formación de humedad excesiva en la turbina y la necesidad de recalentamiento.necesidad de recalentamiento.

• Buenas características de transferencia de calor (alta Buenas características de transferencia de calor (alta conductividad térmica)conductividad térmica)

• Otras propiedades como ser inerte, económico, de fácil Otras propiedades como ser inerte, económico, de fácil obtención y no tóxico.obtención y no tóxico.

Ciclo binario de vapor mercurio-aguaCiclo binario de vapor mercurio-agua