Esto por parte de lado
14 Gases al pasar por el economizador 15 Gases a chimenea de salida
Esto por parte de
lado
GASES
El nivel de agregación siempre dependerá del punto de vista del diseñador, como también de la disposición de instrumentación y equipo para la toma de mediciones; puesto que esta no es la única estructura productiva que se puede tomar en cuenta de este equipo.
De los puntos 2 al 6, por la misma estructura productiva tienen el mismo costo exergético ya que es el del lado de flujo del vapor de agua donde sale como vapor principal para desarrollar su trabajo y los puntos 7 y 8 que son los que regresan como vapor recalentado frío para tener un recalentamiento y salir como vapor recalentado caliente y realizar su trabajo en donde se regresa al domo. Por parte del lado de gases los pontos del 9 al 14 que es una recirculación del mismo para los diferentes bancos de tubos y puesto que no requieren de otra intervención en el proceso de su producción que no sea de la combustión que se esperaba este resultado. Por ultimo el punto 15 que se toma es un desecho que no interfiere ningún proceso para el mismo no tiene algún valor de costo así como exergético.
El costo que interfieren en la producción siempre será mayor en los puntos de recalentamiento don de llega el fluido exhaustado en el proceso donde se tendrá que tener un especial cuidado para su supervisión así como la producción del mismo en al proceso.
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C
CCOOONNNCCCLLLUUUSSSIIIOOONNNEEESSS
Si se realizaran los diagramas de energías y exergías de toda la central (Generador de Vapor + ciclo de potencia) resultaría que en el condensador se localizarían alrededor de las ¾ partes de las pérdidas totales de energía. Ahora bien, si se pretendiera recuperar trabajo o energía eléctrica que es el objeto de la central, de este flujo de energía, no se conseguiría más de la décima parte del mismo. Es decir, a la luz del segundo principio de la Termodinámica, solo se podría recuperarse trabajo por un valor igual a las pérdidas de exergía localizadas realmente en el condensador, que suponen en magnitud menor del 5 por 100 del global de pérdidas.
Primera Ley
En este trabajo se realizo un análisis energético y exergético del Generador de Vapor de la cual hay una primera observación a destacar, surgiendo del análisis comparativo de los balances de energía y exergía. Como puede apreciarse, es de enorme importancia la destrucción de exergía en los procesos (combustión y transmisión de calor) irreversibilidades que tiene lugar en el interior del Generador de Vapor, mientras que las pérdidas de exergía en los humos son mucho menos significativas en cuanto a su valor (fig 16; pag 74). En contraste, un análisis energético clásico, muestra que no existen pérdidas de energía en la combustión y transmisión de calor, y que casi la totalidad de las pérdidas se localiza en los humos (fig 10; pag 47).
El método convencional, basado en el balance de energía sólo, aunque incompleto, es suficiente par una primera aproximación a los diagnósticos energéticos. En la tabla siguiente se observa la eficiencia del Generador de Vapor donde se da el porcentaje de los dos diferentes métodos a discusión. Cuando los procesos son complejos y las primeras acciones de ahorro se han realizado, el análisis exergético es el método más recomendable Segunda Ley (Exergético) Decremento Directo 74 % 49 % 25 % Indirecto 84 % 68 % 16 %
Otra observación también muy importante es la teoría del costo exergético que expone los fundamentos que permiten analizar el proceso de formación de los costos. Las bases de esta teoría son: el Segundo Principio de la Termodinámica, a través de la utilización del concepto de exergía, el concepto de Fuel – Producto (estructura funcional) basado en el propósito productivo de los componentes que constituyen un sistema térmico, y la formalización matemática del sistema Térmico, que proporciona la teoría general del sistema.
Por otra parte se dirá que las ventajas de un análisis exergético – económico frente al energético – económico
En la planta la deducción del costo del producto es más acorde con su calidad energética si se evacua siguiendo un criterio exergético.
¾ El proceso de formación del costo del producto obtenido en el sistema térmico queda más correctamente definido empleando la exergía par investigarlo.
Así pues, y de acuerdo con lo expuesto, la contabilidad del costo Termo económico posibilita dos hechos de interés económico fundamentales:
¾ El costo de los productos a través de ella deducido es el mejor costo posible con vistas a fijar su precio de venta, si bien en muchos casos dicho precio se basa en consideraciones políticas, de mercado, ect.
¾ Se facilita la detección de la verdadera eficiencia en el empleo de los diversos factores de producción, posibilitando así es establecimiento y seguimiento de eficaces estrategias de control, operación y mantenimiento en el sistema térmico
No debe de interpretarse como que el análisis energético es algo que debe ir quedando en desuso, sino más bien al contrario, las dos modalidades de análisis son complementarias y entre ambas es posible un mejor acercamiento a la realidad de los procesos transformadores de energía.
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¾ Resulta evidente que en una Central Termoeléctrica el objetivo perseguido es la obtención de energía eléctrica (exergía pura). De ello se deduce que es el análisis exergético el que proporciona la información correcta de cómo a lo largo del proceso va teniendo lugar la pérdida del producto deseado. En consecuencia, la elaboración de un programa de cálculo por computadora resultara de enorme interés
¾ A nivel de diseño, hoy no es posible realizar la combustión de un modo reversible. Sin embargo, pueden reducirse las pérdidas de exergía asociadas a este proceso recalentando el aire utilizado como carburante. Para disminuir las perdidas de exergía debida a la transmisión de calor entre los humos y el vapor se debe aumentar la temperatura media de absorción de calor de este último, es decir, debe incrementarse el coeficiente de disponibilidad, con que opera el Generador de Vapor.
¾ Como se ha mencionado anteriormente la estructura funcional es subjetiva y depende del analista así como del equipo de medición que se tenga al alcance para la toma de datos; entre mas este desmenuzado la estructura funcional mas acertado será el costo del producto.
¾ Aunque en la norma ASME seda el cálculo de las pérdidas por radicación sería recomendable tener un estudio más minucioso a ese parámetro, para tener un mejor acercamiento a la realidad de las mismas.
¾ Este análisis se hizo cuando se efectuó el mantenimiento correspondiente al Generador de Vapor, del hasta cierto punto se esperaban estos resultados para la eficiencia, sería recomendable hacer el mismo análisis cuando tenga cierto número de horas trabajando para realizar la comparación de la efectividad del mantenimiento de dicho equipo.
¾ Un estudio minucioso de conservación de energía necesita de la determinación de cuanta de ella se usa en un proceso. En el diseño de plantas, procesos, equipos, etc. Esto requiere de la predicción del consumo de energía, por lo que es necesario considerar todos los parámetros y variables involucrados par la obtención del objetivo final. Esto hace el uso del estudio exergoeconómico.
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B
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A
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ep d v
resenta los principios de la Segunda Ley de la Termodinámica, así como las tablas para el cálculo e la exergía y valores de diseño del Generador de Vapor; como también el reporte de Diseño de los alores Termoeconómicos de la Planta Valle de México U -3
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Un sistema termodinámico puede tener muchos estados y cada estado del sistema, desacuerdo a esta definición, estará identificado por los valores numéricos adquiridos por las variables descriptivas en un sistema particular.
El concepto de estado es fundamental en el estudio de los sistemas termodinámicos puesto que interesa la relación que guardan las variables descriptivas del sistema termodinámico cuando este cambia de estado.
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Es un hecho conocido que al aislar un sistema termodinámico de su entorno mediante paredes distantes, éste se aquieta, alcanzando una condición que se conoce como: condición de equilibrio termodinámico” o simplemente equilibrio termodinámico. En esta situación ninguna de las propiedades del sistema termodinámico cambia con el tiempo.
Es evidente que cualquier sistema físico que se desliga de su entorno al cortarle todas sus interacciones, necesariamente alcanza una condición de equilibrio, pues nadie lo perturba y por lo tanto puede aquietarse de modo que ninguna de sus variables descriptivas cambie con el tiempo. Se excluyen las condiciones meta estables y se requiere la reproducibilidad de las situaciones de equilibrio.
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Se define el estado termodinámico como aquella condición de un sistema termodinámico para el cual las variables descriptivas del sistema adquieren valores numéricos en un tiempo dado.
Sí con una cámara de video de alta velocidad uno filmará los cambios de estado de un sistema termodinámico, cada transferencia de la película grabada en un instante, mostrará una condición particular del sistema termodinámico y en esa transferencia el sistema estará en equilibrio termodinámico y sus variables descriptivas tendrán ciertos valores numéricos. La película completa, tomada entre un tiempo inicial y un tiempo final, mostrará la colección de estados por los que atraviesa el sistema, esto es, habla se la evolución del sistema termodinámico.
Cuando los cambios de estado de un sistema termodinámico se dan se tal manera que a partir de un estado de equilibrio se pasa a otro estado, dando el tiempo suficiente, para que el sistema termodinámico alcance un nuevo estado de equilibrio, se dice que el cambio de estado es casa estático o cuasi-estático, es decir, los cambios de estado se dan de manera muy lenta y siempre esperan que el sistema termodinámico alcance un estado de equilibrio termodinámico.
Se llamará proceso al mecanismo mediante el cual un sistema termodinámico cambia de estado. Si los cambios de estado de un sistema termodinámico se realizan atreves de estados de equilibrio, es posible entonces hacer corresponder estados de equilibrio con puntos en un espacio de estado. Si es
posible unir todos los puntos representativos de los estados de equilibrio de un sistema termodinámico por medio de una curva continua, se dice que el proceso es un proceso cuasi-estático reversible, en caso contrario se dice que es no cuasi-estático o no reversible o irreversible, ver figura A1. Para que un proceso sea reversible es necesaria la ausencia de fenómenos disipativos, como la fricción, la viscosidad que son funciones de la velocidad de transformación y que no se invierten cuando el sentido de la transformación se invierte. Las transformaciones reversibles no existen en la naturaleza, sin embargo éstas pueden ser consideradas como casos límites a los que tienden las transformaciones o procesos reales, cuando éstas infinitamente lentas y los efectos disipativos son prácticamente despreciables. Aún cuando los procesos reversibles son ideales, estos son extremadamente importantes en los razonamientos termodinámicos.
P
A
Haciendo uso de un agente extremo, es posible efectuar la inversión de un proceso espontáneo. Por ejemplo, un gas de volumen Vo que sufrió una expansión espontánea dentro de un recipiente
cilíndrico con un pistón móvil, se puede hacer que el gas recupere su volumen inicial Vo mediante
una comprensión. Es muy importante hacer notar que al comprimir el gas se hará trabajo sobre el gas y al mismo tiempo se producirá una cantidad de calor con un aumento de temperatura. Si este calor se pudiera convertir íntegramente en trabajo mediante una máquina hipotética, el gas adquiriría una condición original o su estado inicial, no se observaría cambio alguno en el sistema gas y tampoco estarían alterados los alrededores. Pero esto es precisamente lo que no se puede lograr. De acuerdo a la experiencia, es “imposible la conversión completa de calor en trabajo, sin alterar el entorno o sin dejar efecto alguno en alguna parte”. Este resultado concuerda con la irreversibilidad termodinámica de los procesos espontáneos.
Estado
A
Proceso cuasi-estático Proceso no cuasi-estático EstadoB
V
Figura A1. Espacio de estados: representación esquemática de proceso reversible e irreversible
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Experimentalmente no se ha visto que se transfiera calor espontáneamente de un cuerpo frió a uno caliente. Empíricamente no se ha observado que una barra metálica se caliente espontáneamente en un extremo y se enfrié en el otro extremo. Si alguno de estos aspectos se observara, entonces deberíamos buscar la causa que lo produce. La experiencia demuestra que son imposibles.
Podría sin embargo, argumentarse que de acuerdo a la primera ley de la termodinámica ∆U=Q-W, que en proceso isotérmico ∆U es igual a cero y Q = W con lo que todo el calor se convierte íntegramente en trabajo. Esto es correcto, pero es importante señalar, que esta conversión va
acompañada por un aumento en el volumen del gas de manera que el sistema termodinámico se ha alterado.
La generalización de la observación de que los procesos espontáneos no son termodinámicamente reversibles, esta contenida en la Segunda Ley de la Termodinámica.
Existen diferentes maneras de anunciar la Segunda Ley de la Termodinámica, sin embargo no todas exhiben de manera tan directa las experiencias discutidas como las anunciadas por W Thomson (Lord Kelvin) y R. Clausius. Estos enunciados son:
Del ciclo de Carnot sabemos que es posible convertir calor en trabajo pero siempre a costa de alterar los alrededores.
Teorema 1 de Carnot: Ninguna máquina térmica operando en ciclos entre fuentes térmicas con temperaturas fijas, tiene una eficiencia mayor que la de una máquina reversible operando entre las mismas fuentes térmicas.
Para I: W = Q´2 – Q´1
Para R: (A2)
ηI = ; ηR =
Kelvin – Planck: Toda transformación cíclica cuya única finalidad sea absorber calor de un cuerpo o fuente térmica a una temperatura dada y convertirla íntegramente en trabajo, es imposible.
Clausius: Toda transformación cíclica cuya única finalidad sea transferir una cierta cantidad de calor de un cuerpo frío a uno caliente, es imposible.
Es importante señalar que ambos enunciados solicitan un ciclo del sistema termodinámico σ, lo que significa que el sistema regresa a su estado inicial y que nada le pasa a σ, pero también insisten en que la única finalidad es convertir calor en trabajo o transferir calor de un cuerpo frío a uno caliente sin alterar loa alrededores.
Los enunciados de Kelvin-Planck y Clausius son equivalentes pues al negar uno de ellos automáticamente se niega al otro.
Dos teoremas permiten establecer las características generales de las máquinas térmicas como consecuencia inmediata de la Segunda Ley de la Termodinámica, estos son:
Demostración: se opera la máquina térmica I y la máquina reversible R de manera que produzcan el mismo trabajo W, lo cual siempre es posible.
(A1) W = Q2 – Q1
Las eficiencias respectivas son:
W W
Q´2 Q2 (A3)
Suponiendo ahora que:
Sustituyendo (A3) en (A4) se tiene
(A5)
de donde se obtiene que Q2 > Q´2. Pero por construcción WI = WR, por lo tanto:
Q2 – Q´2 = Q1 – Q´1
Pero debido a que Q2 > Q´2 como consecuencia de la hipótesis, se tiene inmediatamente que Q2 – Q´2 > 0; por lo tanto:
Q1 – Q´1 > 0
Si se usa la máquina térmica I para operar a la máquina reversible R como refrigerador (figura A2), donde se ha construido un dispositivo cuya única finalidad es extraer la cantidad de calor Q1 – Q´1 de
un recipiente frío y trasferirlo a uno caliente, lo que contradice al enunciado de Clausius; entonces:
(A10) W W
>
Q´2 Q2
Q´2 – Q´1 = Q2 – Q1 (A6)
Haciendo uso del resultado de la ecuación (A5) queda:
(A7)
(A8)
de donde es evidente que:
Q1 > Q´1 (A9) ηI < ηR T2 Q’2 Q2 W I R Q’1 Q1 T1
Figura A2. Máquinas de Carnot: Máquina irreversible operando a la máquina reversible como refrigerada
Teorema dos de Carnot; todas las máquinas reversibles con diferentes sustancias operantes, actuando entre dos recipientes térmicos a temperaturas dadas, tienen la misma eficiencia.
La demostración se hace como en el caso anterior. Por consecuencia: 2 1 R R η η < (A11) También: 1 2 R R η η < (A12) Por lo tanto: 2 1 R R η η = (A13) teorem
El hecho fundamental incluido en la conclusión del teorema 2, esto es:
Del teorema 2 surge la escala universal de temperaturas. También se encuentra la sugerencia de un a más general, que es el teorema de Clausius.
2 1 R R η η = n R R η η = = ... 3 , es
que la eficiencia de una máquina reversible, no depende de la sustancia operante, sino únicamente de s temperaturas de las fuentes entre las cuales operan las máquinas térmicas reversibles.
a las máquinas térmicas reversibles por máquinas de Carnot, las eficiencias