UNIVERSIDAD TECNICA PARTICULAR DE LOJA CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR Y COMBINADOS
EL CICLO DE VAPOR DE CARNOT <ul><li>El ciclo de Carnot no es un modelo apropiado para los ciclos de potencia. </li></ul><u...
 
<ul><li>Con este ciclo se asocian varias situaciones impropias: </li></ul><ul><li>1. La transferencia isotermica de  calor...
<ul><li>2. El proceso de expansión isentrópica (proceso 2-3). Puede lograrse por medio de una turbina bien diseñada. </li>...
CICLO DE RANKINE: EL CICLO IDEAL PARA LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR <ul><li>Es posible eliminar muchos aspectos imprácti...
<ul><li>El ciclo resultante es el  ciclo de Rankine , que es el ciclo ideal para las plantas de potencia de vapor. </li></...
<ul><li>1-2 Compresión isoentrópica en una bomba. </li></ul><ul><li>2-3 Adición de calor a presión constante en una calder...
 
ANALISIS DE ENERGIA DEL CICLO RANKINE <ul><li>Los componentes asociados con el ciclo Rankine (bomba, caldera, turbina y co...
<ul><li>De ese modo, la ecuación de energía de flujo estable por unidad de masa se reduce a </li></ul><ul><li>(q entra -q ...
<ul><li>Bomba (q=0)  W bomba =h 2 -h 1 </li></ul><ul><li>ó,  W bomba =v (P 2 -P 1 ) </li></ul><ul><li>Caldera (w=0)  q en ...
<ul><li>DESVIACION DE LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR REALES RESPECTO DE LOS IDEALIZADOS </li></ul>
 
¿COMO INCREMENTAR LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE? <ul><li>Pequeños aumentos en la eficiencia térmica significan grandes a...
<ul><li>Reducción de la presión del condensador: </li></ul><ul><li>La reducción de la presión de operación del condensador...
FIGURA 9   El efecto de sobrecalentar el vapor hasta temperaturas elevadas en el ciclo Rankine ideal. Sobrecalentamiento d...
FIGURA 9   El efecto de sobrecalentar el vapor hasta temperaturas elevadas en el ciclo Rankine ideal. Sobrecalentamiento d...
<ul><li>Incremento de la presión de la caldera: </li></ul><ul><li>Otra manera de aumentar la temperatura promedio durante ...
<ul><li>FIGURA 9.8 </li></ul><ul><li>El efecto de incrementar la presión de la caldera en el ciclo Rankine ideal. </li></ul>
EL CICLO DE RANKINE IDEAL CON RECALENTAMIENTO <ul><li>¿Cómo es posible aprovechar las mayores eficiencias a presiones más ...
FIGURA 9.11 El ciclo Rankine ideal con recalentamiento.
<ul><li>El ciclo Rankine ideal con recalentamiento difiere del ciclo Rankine ideal simple en que el proceso de expansión s...
EL CICLO RANKINE IDEAL REGENERATIVO <ul><ul><li>El dispositivo donde el agua de alimentación se calienta mediante regenera...
 
 
COGENERACIÓN <ul><li>En todos los ciclos analizados hasta ahora, el único propósito fue convertir parte del calor transfer...
<ul><li>Por tanto, desde el punto de vista de la ingeniería, es más económico emplear el potencial de trabajo ya existente...
<ul><li>Factor de utilización  para una planta de cogeneración   </li></ul>
<ul><li>CICLOS DE POTENCIA COMBINADOS DE GAS-VAPOR </li></ul><ul><li>El más popular incluye un ciclo de potencia de gas qu...
<ul><li>Desde el punto de vista de la ingeniería, es conveniente aprovechar las características deseables del ciclo de tur...
<ul><li>CICLOS BINARIOS DE VAPOR </li></ul><ul><li>Con la excepción de unas cuantas aplicaciones especializadas, el fluido...
<ul><li>Una presión del condensador que no sea demasiado baja. </li></ul><ul><li>Una elevada entalpía de vaporización (hfg...
<ul><li>Ciclo binario de vapor mercurio-agua </li></ul>
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Exposición termodinámica2

  1. 1. UNIVERSIDAD TECNICA PARTICULAR DE LOJA CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR Y COMBINADOS
  2. 2. EL CICLO DE VAPOR DE CARNOT <ul><li>El ciclo de Carnot no es un modelo apropiado para los ciclos de potencia. </li></ul><ul><li>A lo largo de todo el análisis se considera al vapor como el fluido de trabajo, puesto que su empleo predomina en los ciclos de potencia de vapor. </li></ul>
  3. 4. <ul><li>Con este ciclo se asocian varias situaciones impropias: </li></ul><ul><li>1. La transferencia isotermica de calor hacia o desde un sistema de dos fases no es difícil de alcanzar en la practica, puesto que a una presión constante en el dispositivo fijará automáticamente la temperatura en el valor de saturación. </li></ul>
  4. 5. <ul><li>2. El proceso de expansión isentrópica (proceso 2-3). Puede lograrse por medio de una turbina bien diseñada. </li></ul><ul><li>3. El proceso de comprensión isentrópica (proceso 4-1) implica la compresión de una mezcla de liquido-vapor hasta un liquido saturado. </li></ul>
  5. 6. CICLO DE RANKINE: EL CICLO IDEAL PARA LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR <ul><li>Es posible eliminar muchos aspectos imprácticos asociados con el ciclo de Carnot si el vapor es sobrecalentado en la caldera y se condensa por completo en el condensador. </li></ul>
  6. 7. <ul><li>El ciclo resultante es el ciclo de Rankine , que es el ciclo ideal para las plantas de potencia de vapor. </li></ul><ul><li>El ciclo de Rankine ideal no incluye ninguna irreversibilidad interna y esta compuesto por los siguientes cuatro procesos: </li></ul>
  7. 8. <ul><li>1-2 Compresión isoentrópica en una bomba. </li></ul><ul><li>2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera </li></ul><ul><li>3-4 Expansión isoentrópica en una turbina </li></ul><ul><li>4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador. </li></ul>
  8. 10. ANALISIS DE ENERGIA DEL CICLO RANKINE <ul><li>Los componentes asociados con el ciclo Rankine (bomba, caldera, turbina y condensador) son dispositivos de flujo estable. </li></ul><ul><li>Los cambios en la energía cinética y potencial de vapor suelen ser pequeños con respecto de los términos de trabajo y de transferencia de calor , y por consiguiente, se ignoran. </li></ul>
  9. 11. <ul><li>De ese modo, la ecuación de energía de flujo estable por unidad de masa se reduce a </li></ul><ul><li>(q entra -q sale )+(W entra -W sale )=h e -h i (KJ/Kg) </li></ul><ul><li>La caldera y el condensador no incluyen ningún trabajo, y se supone que la bomba y la turbina son isoentrópicas. En ese caso la relación de la conservación de la energía para cada dispositiva se expresa como sigue: </li></ul><ul><li>. </li></ul>
  10. 12. <ul><li>Bomba (q=0) W bomba =h 2 -h 1 </li></ul><ul><li>ó, W bomba =v (P 2 -P 1 ) </li></ul><ul><li>Caldera (w=0) q en =(h 3 -h 2 ) </li></ul><ul><li>Turbina (q=0) W turb, sal =(h 3 -h 4 ) </li></ul><ul><li>Condensador (w=0) q sal =(h 4 -h 1 ) </li></ul><ul><li>La eficiencia termica del ciclo Rankine se determina a partir de: </li></ul>
  11. 13. <ul><li>DESVIACION DE LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR REALES RESPECTO DE LOS IDEALIZADOS </li></ul>
  12. 15. ¿COMO INCREMENTAR LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE? <ul><li>Pequeños aumentos en la eficiencia térmica significan grandes ahorros en los requerimientos de combustible. </li></ul><ul><li>La T promedio del fluido debe ser lo más alta posible durante la adición de calor y lo más baja posible durante el rechazo de calor. </li></ul><ul><li>Hay tres maneras de lograr esto en el ciclo ideal de Rankine simple: </li></ul>
  13. 16. <ul><li>Reducción de la presión del condensador: </li></ul><ul><li>La reducción de la presión de operación del condensador reduce automáticamente la temperatura del vapor, en consecuencia, es la temperatura a la cual el calor se rechaza. </li></ul><ul><li>Para aprovechar el aumento de eficiencia a bajas presiones, los condensadores de las plantas de energía de vapor suelen operar muy por debajo de la presión atmosférica, puesto que los ciclos de potencia de vapor operan en un circuito cerrado. </li></ul>
  14. 17. 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.
  15. 18. 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.
  16. 19. <ul><li>Incremento de la presión de la caldera: </li></ul><ul><li>Otra manera de aumentar la temperatura promedio durante el proceso de adición de calor es incrementar la presión de operación de la caldera, lo que eleva automáticamente la temperatura de ebullición (promedio), a la que se le añade calor al vapor, y de ese modo se incrementa la eficiencia térmica del ciclo. </li></ul>
  17. 20. <ul><li>FIGURA 9.8 </li></ul><ul><li>El efecto de incrementar la presión de la caldera en el ciclo Rankine ideal. </li></ul>
  18. 21. EL CICLO DE RANKINE IDEAL CON RECALENTAMIENTO <ul><li>¿Cómo es posible aprovechar las mayores eficiencias a presiones más altas de caldera sin encarar el problema de humedad excesiva en las etapas finales de la turbina? </li></ul><ul><li>Hay dos posibilidades de respuesta: </li></ul><ul><ul><li>Sobrecalentar el vapor a temperaturas muy altas antes de que entre a las turbinas. </li></ul></ul><ul><ul><li>Expandir el vapor en la turbina en dos etapas y recalentarlo entre ellas. </li></ul></ul>
  19. 22. FIGURA 9.11 El ciclo Rankine ideal con recalentamiento.
  20. 23. <ul><li>El ciclo Rankine ideal con recalentamiento difiere del ciclo Rankine ideal simple en que el proceso de expansión sucede en dos etapas: </li></ul><ul><ul><ul><li>En la primera etapa.- la turbina de alta presión, el vapor se expande isoentrópicamente hasta una presión intermedia y se regresa a la caldera donde se recalienta a presión constante. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>En la segunda etapa el vapor se expande (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 vienen a ser: </li></ul></ul></ul>
  21. 24. EL CICLO RANKINE IDEAL REGENERATIVO <ul><ul><li>El dispositivo donde el agua de alimentación se calienta mediante regeneración se llama regenerador o calentador de agua de alimentación. </li></ul></ul><ul><ul><li>La regeneración de agua de alimentación se da por: </li></ul></ul><ul><ul><li>Calentadores abiertos de agua de alimentación </li></ul></ul><ul><ul><li>Un calentador abierto de agua de alimentación es un cámara de mezclado, donde el vapor extraído de la turbina se mezcla con el agua de alimentación que sale de la bomba. </li></ul></ul><ul><ul><li>En un ciclo de Rankine ideal regenerativo el vapor entra a la turbina a la presión de la caldera y se expande isoentrópicamente hasta una presión intermedia, se extrae un poco de vapor y se envía al calentador de agua de alimentación, el vapor continúa su expansión. </li></ul></ul>
  22. 27. COGENERACIÓN <ul><li>En todos los ciclos analizados hasta ahora, el único propósito fue convertir parte del calor transferido al fluido de trabajo en trabajo. La parte restante del calor se libera en ríos, lagos, océanos, la atmósfera como calor de desecho debido a que su calidad es demasiada baja. </li></ul><ul><li>Sin embargo, existen otros sistemas o dispositivos requieren la entrada de energía en forma de calor, llamada calor de proceso. </li></ul>
  23. 28. <ul><li>Por tanto, desde el punto de vista de la ingeniería, es más económico emplear el potencial de trabajo ya existente para producir potencia, en vez de permitir que se desperdicie. </li></ul><ul><li>En general, la cogeneración es la producción de más de una forma útil de energía (como calor de proceso y energía eléctrica) a partir de la misma fuente de energía. </li></ul>
  24. 29. <ul><li>Factor de utilización para una planta de cogeneración </li></ul>
  25. 30. <ul><li>CICLOS DE POTENCIA COMBINADOS DE GAS-VAPOR </li></ul><ul><li>El más popular incluye un ciclo de potencia de gas que remata a un ciclo de potencia de vapor, que se denomina ciclo combinado de gas-vapor, o sólo ciclo combinado. </li></ul><ul><li>CARACTERISTICAS </li></ul><ul><li>- La turbina de gas operan a temperaturas mucho más altas que los ciclos de vapor. </li></ul><ul><li>- 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 de vapor </li></ul><ul><li>- Mientras que está por encima de 1 150°C (2 100°F) en las plantas de potencia de turbina de gas. </li></ul>
  26. 31. <ul><li>Desde el punto de vista de la ingeniería, es conveniente aprovechar las características deseables del ciclo de turbina de gas a altas temperaturas y emplear los gases de escape de alta temperatura como la fuente de energía en un ciclo inferior, como un ciclo de potencia de vapor. </li></ul>
  27. 32. <ul><li>CICLOS BINARIOS DE VAPOR </li></ul><ul><li>Con la excepción de unas cuantas aplicaciones especializadas, el fluido de trabajo predominante en los ciclos de potencia con vapor es agua. </li></ul><ul><li>El ciclo binario es un intento por superar algunas de las deficiencias del agua y para aproximarse al fluido de trabajo ideal mediante dos fluidos. </li></ul><ul><li>CARACTERÍSTICAS DEL FLUIDO </li></ul><ul><li>Una temperatura crítica elevada y una presión máxima segura. </li></ul><ul><li>Baja temperatura del punto triple. </li></ul>
  28. 33. <ul><li>Una presión del condensador que no sea demasiado baja. </li></ul><ul><li>Una elevada entalpía de vaporización (hfg) de manera que la transferencia de calor se aproxime a una isotérmica y no sean necesarias grandes tasas de flujo másico. </li></ul><ul><li>Una curva de saturación que asemeje a una U invertida. Esto eliminara la formación de humedad excesiva en la turbina y la necesidad de recalentamiento. </li></ul><ul><li>Buenas características de transferencia de calor (alta conductividad térmica) </li></ul><ul><li>Otras propiedades como ser inerte, económico, de fácil obtención y no tóxico. </li></ul>
  29. 34. <ul><li>Ciclo binario de vapor mercurio-agua </li></ul>

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