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Semana 10
Ciclos de potencia de vapor y
combinados
Dr. Renzon Cosme Pecho
• Analizar ciclos de potencia de vapor.
• Ciclo Rankine
• Analizar ciclos de potencia combinados y ciclos
binarios.
Ciclo de potencia de vapor
Considere un ciclo de Carnot de flujo estacionario
ejecutado dentro de la curva de saturación de una
sustancia pura.
Ciclo de potencia de vapor
Recordando la curva
Proceso 1-2: El fluido se calienta,
reversible e isotérmicamente en una
caldera.
Proceso 2-3: se expande isentrópicamente
en una turbina.
Proceso 3-4: se condensa reversible e
isotérmicamente en un condensador.
Proceso 4-1: se condensa de manera
isentrópica mediante un comprensor hasta
su estado inicial.
Ciclo de potencia de vapor
• Sin embargo, este ciclo presenta problemas como: la
compresión isentrópica (S=cte) a presiones extremadamente
altas y la transferencia isotérmica de calor a presiones variables.
• Por lo tanto concluimos que el ciclo de Carnot no puede
lograrse en los dispositivos reales y NO es un modelo
realista para los ciclos de potencia de vapor.
• Ciclo ideal para ciclos de potencia de vapor
• Ciclo ideal para centrales eléctricas de vapor
Ciclo de Rankine
Diagrama T-S: Ciclo Rankine Ideal
El Diagrama T-s de un Ciclo Rankine Ideal está formado por cuatro
procesos: 2 Isentrópicos , 2 Isobáricos, Adiabático.
Proceso
Isentrópico
Entropía
permanece
constante.
Proceso
Adiabático
No
intercambia calor
con su entorno.
Proceso
Isobárico
Ocurre a Presión
Constante.
Tiene 4 procesos: 1-2 Compresión isentrópica en una bomba, 2-3
Adición de calor a presión constante en una caldera, 3-4
Expansión isentrópica en una turbina, 4-1 Rechazo de calor a
presión constante en un condensador
Ciclo de Rankine
• Los cuatro componentes
asociados con el ciclo
Rankine (la bomba, la
caldera, la turbina y el
condensador) son dispositivos
de flujo estacionario, por lo
tanto, pueden ser analizados
como procesos de flujo
estacionario.
• Ep y Ec son pequeños, por tanto
consideramos insignificante.
Ciclo de Rankine: Análise de energía
La ecuación de energía de flujo estacionario, por unidad
de masa de vapor.
Ciclo de Rankine: Análise de energía
La caldera y el condensador no incluyen ningún trabajo y se
supone que la bomba y la turbina son isentrópicas, la ecuación
de energía para cada dispositivo es:
Ciclo de Rankine: Análise de energía
Problemas
Considere una central eléctrica de vapor que opera en el ciclo
Rankine ideal simple. El vapor de agua entra a la turbina a 3 MPa y
350°C y es condensado a una presión de 75 kPa. Determine la
eficiencia térmica de este ciclo.
Solución:
Problemas
Solución:
Ciclo de Rankine
Desviación de ciclos de potencia de vapor reales
respecto de los idealizados
El ciclo real de potencia de vapor difiere del ciclo Rankine ideal,
como se ilustra en la figura, como resultado de irreversibilidades
de diversos componentes: fricción del fluido e perdida de calor.
Ciclo de Rankine
Desviación de ciclos de potencia de vapor reales
respecto de los idealizados
Las irreversibilidades que suceden dentro de la bomba y la turbina
son importantes. La bomba requiere entrada de trabajo mayor y la
turbina produce la salida de trabajo más pequeña como
consecuencia de las irreversibilidades.
La desviación existente entre bombas y turbinas reales con
respecto de las isentrópicas es:
Como incrementar la eficiencia del ciclo
de Rankine.
• Reducción de la presión del condensador
• Sobrecalentamiento del vapor a altas Temperaturas
• Incremento de la presión de la caldera
Incrementar la
Temperatura Promedio en
la Caldera
¿Cómo incrementar la Eficiencia?
Disminuir la Temperatura
Promedio en el
Condensador
Formas de incrementar la Eficiencia
1. Reducción de la presión
del condensador:
Reduce automáticamente la
temperatura del vapor.
Reduce la temperatura a la
cual el calor se rechaza.
2. Incremento de la presión de la
caldera:
Elevando la temperatura de ebullición.
Esto, a su vez, incrementa la
temperatura promedio a la que se
añade calor al vapor.
Formas de incrementar la Eficiencia
3. Sobrecalentamiento del
vapor a altas temperaturas:
Es posible elevar la temperatura
promedio a la que se añade calor
al vapor sin aumentar la presión de
la caldera.
logrando un incremento en el
trabajo de la turbina.
Formas de incrementar la Eficiencia
Problemas
Considere una central eléctrica de vapor que opera con el ciclo
Rankine ideal. El vapor entra a la turbina a 3 MPa y 350°C y se
condensa en el condensador a una presión de 10 kPa. Determine
a) la eficiencia térmica de esta central eléctrica, b) la eficiencia
térmica si el vapor se sobrecalienta a 600°C en lugar de 350°C, c)
la eficiencia térmica si la presión de la caldera se eleva a 15 MPa
mientras la temperatura de entrada de la turbina se mantiene en
600°C.
Solución:
Problemas
Solución: Los diagramas T-s del ciclo para los tres casos
Problemas
Solución:
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Solución:
Ciclo Rankine con Recalentamiento:
Consideraciones generales
El recalentamiento es una solución práctica al problema
de humedad excesiva en turbinas y es comúnmente
utilizada en modernas centrales eléctricas de vapor.
Aumentando la presión de operación
en la caldera.
Pero: Origina un mayor grado de
humedad.
Sin Embargo: Puede solucionarse
haciendo uso de recalentamiento.
Ciclo Rankine con Recalentamiento.
PRIMERA ETAPA (TURBINA DE ALTA
PRESION)
En ésta el vapor se expande isentropicamente
hasta una presión intermedia y regresa a la
caldera donde se recalienta a presión constante.
SEGUNDA ETAPA
(TURBINA DE BAJA PRESION)
El vapor se expande isentropicamente hasta la
presión del condensador para luego dar inicio
nuevamente al ciclo.
El Ciclo Rankine Regenerativo
consiste, en extraer parte del vapor
expandido en la turbina y utilizarlo
para suministrar calor al fluido de
trabajo, aumentado su temperatura
antes de pasar por la fuente
principal de calor (Caldera) a una
presión determinada.
Ciclo Rankine Regenerativo
Calentadores abiertos de agua de alimentación
Es básicamente una cámara de mezclado en la que el vapor
extraído de la turbina se mezcla con el agua de alimentación que
sale de la bomba.
Ciclo Rankine Regenerativo
P2=P3=P6
T3=Tsat@P6
Calentadores abiertos de agua de alimentación
ciclo Rankine regenerativo con un calentador de agua de
alimentación pueden expresarse por
Ciclo Rankine Regenerativo
Calentadores abiertos de agua de alimentación
Ciclo Rankine Regenerativo
Ventajas:
Tienen menor costo (simplicidad), mejoran el
rendimiento, la disposición de regeneración es
más eficiente.
Calentadores cerrados de agua de alimentación
En un calentador cerrado no se mezclan las corrientes que entran.
El aguade alimentación circula por el interior de los tubos que
pasan por el calentador y el vapor extraído de la turbina para
precalentar el agua, se condensa sobre los tubos.
.
Ciclo Rankine Regenerativo
Ciclo Rankine Regenerativo
Problemas
Considere una central eléctrica de vapor que opera en un ciclo
Rankine ideal regenerativo con un calentador abierto de agua de
alimentación. El vapor entra a la turbina a 15 MPa y 600°C, y se
condensa en el condensador a una presión de 10 kPa. Una parte
de vapor sale de la turbina a una presión de 1.2 MPa y entra al
calentador abierto de agua de alimentación. Determine la
fracción de vapor extraído de la turbina y la eficiencia térmica del
ciclo.
Solución:
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Solución:
Problemas
Solución:
• El ciclo combinado que más interesa es el ciclo de
turbina de gas (Brayton).
• Tiene una eficiencia térmica más alta que
cualquiera de los ciclos ejecutados individualmente.
• Los ciclos característicos de turbina de gas operan a
temperaturas más altas que los ciclos de vapor.
• ciclo combinado de gas y vapor resulta muy atractivo
desde el punto de vista económico
Ciclo de potencia combinado de gas y vapor
Ciclo de potencia combinado de gas y vapor
Problemas
Considere el ciclo de potencia combinado de gas y vapor
mostrado en la figura. El ciclo superior es un ciclo de turbina de
gas que tiene una relación de presión de 8. El aire entra al
compresor a 300 K y a la turbina a 1 300 K. La eficiencia
isentrópica del compresor es de 80 por ciento, mientras que la de
la turbina de gas es de 85 por ciento. El ciclo inferior es un ciclo
Rankine ideal simple que opera entre los límites de presión de 7
MPa y 5 kPa. El vapor se calienta en un intercambiador de calor
por medio de los gases de escape hasta una temperatura de
500°C. Los gases de escape salen del intercambiador de calor a
450 K. Determine a) la relación entre los flujos másicos del vapor
y de los gases de combustión y b) la eficiencia térmica del ciclo
combinado.
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Ciclos de potencia de vapor y combinados-termodinamica

  • 1. Semana 10 Ciclos de potencia de vapor y combinados Dr. Renzon Cosme Pecho
  • 2. • Analizar ciclos de potencia de vapor. • Ciclo Rankine • Analizar ciclos de potencia combinados y ciclos binarios. Ciclo de potencia de vapor
  • 3. Considere un ciclo de Carnot de flujo estacionario ejecutado dentro de la curva de saturación de una sustancia pura. Ciclo de potencia de vapor Recordando la curva
  • 4. Proceso 1-2: El fluido se calienta, reversible e isotérmicamente en una caldera. Proceso 2-3: se expande isentrópicamente en una turbina. Proceso 3-4: se condensa reversible e isotérmicamente en un condensador. Proceso 4-1: se condensa de manera isentrópica mediante un comprensor hasta su estado inicial. Ciclo de potencia de vapor • Sin embargo, este ciclo presenta problemas como: la compresión isentrópica (S=cte) a presiones extremadamente altas y la transferencia isotérmica de calor a presiones variables. • Por lo tanto concluimos que el ciclo de Carnot no puede lograrse en los dispositivos reales y NO es un modelo realista para los ciclos de potencia de vapor.
  • 5. • Ciclo ideal para ciclos de potencia de vapor • Ciclo ideal para centrales eléctricas de vapor Ciclo de Rankine
  • 6. Diagrama T-S: Ciclo Rankine Ideal El Diagrama T-s de un Ciclo Rankine Ideal está formado por cuatro procesos: 2 Isentrópicos , 2 Isobáricos, Adiabático. Proceso Isentrópico Entropía permanece constante. Proceso Adiabático No intercambia calor con su entorno. Proceso Isobárico Ocurre a Presión Constante.
  • 7. Tiene 4 procesos: 1-2 Compresión isentrópica en una bomba, 2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera, 3-4 Expansión isentrópica en una turbina, 4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador Ciclo de Rankine
  • 8. • Los cuatro componentes asociados con el ciclo Rankine (la bomba, la caldera, la turbina y el condensador) son dispositivos de flujo estacionario, por lo tanto, pueden ser analizados como procesos de flujo estacionario. • Ep y Ec son pequeños, por tanto consideramos insignificante. Ciclo de Rankine: Análise de energía
  • 9. La ecuación de energía de flujo estacionario, por unidad de masa de vapor. Ciclo de Rankine: Análise de energía La caldera y el condensador no incluyen ningún trabajo y se supone que la bomba y la turbina son isentrópicas, la ecuación de energía para cada dispositivo es:
  • 10. Ciclo de Rankine: Análise de energía
  • 11. Problemas Considere una central eléctrica de vapor que opera en el ciclo Rankine ideal simple. El vapor de agua entra a la turbina a 3 MPa y 350°C y es condensado a una presión de 75 kPa. Determine la eficiencia térmica de este ciclo. Solución:
  • 13. Ciclo de Rankine Desviación de ciclos de potencia de vapor reales respecto de los idealizados El ciclo real de potencia de vapor difiere del ciclo Rankine ideal, como se ilustra en la figura, como resultado de irreversibilidades de diversos componentes: fricción del fluido e perdida de calor.
  • 14. Ciclo de Rankine Desviación de ciclos de potencia de vapor reales respecto de los idealizados Las irreversibilidades que suceden dentro de la bomba y la turbina son importantes. La bomba requiere entrada de trabajo mayor y la turbina produce la salida de trabajo más pequeña como consecuencia de las irreversibilidades. La desviación existente entre bombas y turbinas reales con respecto de las isentrópicas es:
  • 15. Como incrementar la eficiencia del ciclo de Rankine. • Reducción de la presión del condensador • Sobrecalentamiento del vapor a altas Temperaturas • Incremento de la presión de la caldera
  • 16. Incrementar la Temperatura Promedio en la Caldera ¿Cómo incrementar la Eficiencia? Disminuir la Temperatura Promedio en el Condensador
  • 17. Formas de incrementar la Eficiencia 1. Reducción de la presión del condensador: Reduce automáticamente la temperatura del vapor. Reduce la temperatura a la cual el calor se rechaza.
  • 18. 2. Incremento de la presión de la caldera: Elevando la temperatura de ebullición. Esto, a su vez, incrementa la temperatura promedio a la que se añade calor al vapor. Formas de incrementar la Eficiencia
  • 19. 3. Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas: Es posible elevar la temperatura promedio a la que se añade calor al vapor sin aumentar la presión de la caldera. logrando un incremento en el trabajo de la turbina. Formas de incrementar la Eficiencia
  • 20. Problemas Considere una central eléctrica de vapor que opera con el ciclo Rankine ideal. El vapor entra a la turbina a 3 MPa y 350°C y se condensa en el condensador a una presión de 10 kPa. Determine a) la eficiencia térmica de esta central eléctrica, b) la eficiencia térmica si el vapor se sobrecalienta a 600°C en lugar de 350°C, c) la eficiencia térmica si la presión de la caldera se eleva a 15 MPa mientras la temperatura de entrada de la turbina se mantiene en 600°C. Solución:
  • 21. Problemas Solución: Los diagramas T-s del ciclo para los tres casos
  • 25. Ciclo Rankine con Recalentamiento: Consideraciones generales El recalentamiento es una solución práctica al problema de humedad excesiva en turbinas y es comúnmente utilizada en modernas centrales eléctricas de vapor. Aumentando la presión de operación en la caldera. Pero: Origina un mayor grado de humedad. Sin Embargo: Puede solucionarse haciendo uso de recalentamiento.
  • 26. Ciclo Rankine con Recalentamiento. PRIMERA ETAPA (TURBINA DE ALTA PRESION) En ésta el vapor se expande isentropicamente hasta una presión intermedia y regresa a la caldera donde se recalienta a presión constante. SEGUNDA ETAPA (TURBINA DE BAJA PRESION) El vapor se expande isentropicamente hasta la presión del condensador para luego dar inicio nuevamente al ciclo.
  • 27. El Ciclo Rankine Regenerativo consiste, en extraer parte del vapor expandido en la turbina y utilizarlo para suministrar calor al fluido de trabajo, aumentado su temperatura antes de pasar por la fuente principal de calor (Caldera) a una presión determinada. Ciclo Rankine Regenerativo
  • 28. Calentadores abiertos de agua de alimentación Es básicamente una cámara de mezclado en la que el vapor extraído de la turbina se mezcla con el agua de alimentación que sale de la bomba. Ciclo Rankine Regenerativo P2=P3=P6 T3=Tsat@P6
  • 29. Calentadores abiertos de agua de alimentación ciclo Rankine regenerativo con un calentador de agua de alimentación pueden expresarse por Ciclo Rankine Regenerativo
  • 30. Calentadores abiertos de agua de alimentación Ciclo Rankine Regenerativo Ventajas: Tienen menor costo (simplicidad), mejoran el rendimiento, la disposición de regeneración es más eficiente.
  • 31. Calentadores cerrados de agua de alimentación En un calentador cerrado no se mezclan las corrientes que entran. El aguade alimentación circula por el interior de los tubos que pasan por el calentador y el vapor extraído de la turbina para precalentar el agua, se condensa sobre los tubos. . Ciclo Rankine Regenerativo
  • 33. Problemas Considere una central eléctrica de vapor que opera en un ciclo Rankine ideal regenerativo con un calentador abierto de agua de alimentación. El vapor entra a la turbina a 15 MPa y 600°C, y se condensa en el condensador a una presión de 10 kPa. Una parte de vapor sale de la turbina a una presión de 1.2 MPa y entra al calentador abierto de agua de alimentación. Determine la fracción de vapor extraído de la turbina y la eficiencia térmica del ciclo. Solución:
  • 38. • El ciclo combinado que más interesa es el ciclo de turbina de gas (Brayton). • Tiene una eficiencia térmica más alta que cualquiera de los ciclos ejecutados individualmente. • Los ciclos característicos de turbina de gas operan a temperaturas más altas que los ciclos de vapor. • ciclo combinado de gas y vapor resulta muy atractivo desde el punto de vista económico Ciclo de potencia combinado de gas y vapor
  • 39. Ciclo de potencia combinado de gas y vapor
  • 40. Problemas Considere el ciclo de potencia combinado de gas y vapor mostrado en la figura. El ciclo superior es un ciclo de turbina de gas que tiene una relación de presión de 8. El aire entra al compresor a 300 K y a la turbina a 1 300 K. La eficiencia isentrópica del compresor es de 80 por ciento, mientras que la de la turbina de gas es de 85 por ciento. El ciclo inferior es un ciclo Rankine ideal simple que opera entre los límites de presión de 7 MPa y 5 kPa. El vapor se calienta en un intercambiador de calor por medio de los gases de escape hasta una temperatura de 500°C. Los gases de escape salen del intercambiador de calor a 450 K. Determine a) la relación entre los flujos másicos del vapor y de los gases de combustión y b) la eficiencia térmica del ciclo combinado. Solución:
  • 41. Problemas Solución: Diagrama T-s el ciclo combinado de gas y vapor