• El ciclo Rankine: El ciclo ideal para ciclos de potencia de vapor
Análisis de energía del ciclo Rankine idea
• Desviaciones de los ciclos de potencia de vapor ideales.
• ¿Cómo incrementar la eficiencia del ciclo Rankine?
Disminuyendo la presión en condensador
Sobrecalentando el vapor a altas temératuras
Aumentando la presión en el calentador
• El ciclo Rankine ideal con recalentamiento
• El ciclo Rankine ideal regenerativo
Calentadores abiertos de agua de alimentación
Calentadores cerrados de agua de alimentación
• Cogeneración
ACTIVIDADES
• Resuelve los siguientes ejercicios:
1. Considere un ciclo Rankine ideal simple. Si la presión del
condensador disminuye manteniendo igual el estado a la entrada de la turbina,
• a) la producción de trabajo de la turbina disminuirá • b) la cantidad de trabajo rechazado disminuirá
• c) la eficiencia del ciclo disminuirá
• d) el contenido de humedad a la salida de la turbina disminuirá • e) el consumo de trabajo de la bomba disminuirá
•
• 2. Considere un ciclo Rankine ideal simple con presiones fijas de la caldera y del condensador. Si se sobrecalienta el vapor a una
temperatura más alta, •
• a) la producción de trabajo por la turbina disminuirá • b) la cantidad de calor rechazado disminuirá
• c) la eficiencia del ciclo disminuirá
• d) el contenido de humedad a la salida de la turbina disminuirá • e) la cantidad de entrada de calor disminuirá
•
• 3 Considere un ciclo Rankine ideal simple con presiones fijas de la caldera y del condensador. Si el ciclo se modifica con
recalentamiento, •
• a) la producción de trabajo por la turbina disminuirá • b) la cantidad de trabajo rechazado disminuirá
• c) el consumo de trabajo por la bomba disminuirá
• d) el contenido de humedad a la salida de la turbina disminuirá • e) la cantidad de entrada de calor disminuirá
•
• 4. Considere un ciclo Rankine ideal simple con presiones fijas de la caldera y del condensador. Si el ciclo se modifica con regeneración que comprende un calentador abierto de agua de alimentación
(seleccione la afirmación correcta por unidad de masa de vapor que fluye a través de la caldera).
•
• a) la producción de trabajo por la turbina disminuirá • b) la cantidad de calor rechazado aumentará
• c) la eficiencia térmica del ciclo disminuirá
• d) la calidad del vapor a la salida de la turbina disminuirá • e) la cantidad de entrada de calor aumentará
• 5. Considere un ciclo de Carnot de flujo estacionario con agua como fluido de trabajo, ejecutado bajo el domo de saturación, entre los límites de
presión de 3 MPa y 10 kPa. El agua cambia de líquido saturado a vapor saturado durante el proceso de adición de calor. La producción neta de trabajo de este ciclo es
• 6. Un ciclo Rankine ideal simple opera entre los límites de presión de 10 kPa y 3 MPa, con una temperatura de entrada a la turbina de 600 °C. Despreciando el trabajo de la bomba, la eficiencia del ciclo es
• 7. Un ciclo Rankine ideal simple opera entre los límites de presión de 10 kPa y 5 MPa, con una temperatura de entrada a la turbina de 600 °C. La fracción de masa del vapor de agua que se condensa a la salida de la turbina es
• 8 Una planta termoeléctrica de vapor de agua opera en el ciclo Rankine ideal simple, entre los límites de presión de 10 kPa y 5 MPa, con una
temperatura de entrada a la turbina de 600 °C. La tasa de transferencia de calor en la caldera es 300 kJ/s. Despreciando el trabajo de la bomba, la producción de trabajo de esta planta es
• 9. Considere una planta eléctrica de ciclo combinado de gas-vapor. El agua para el ciclo de vapor se calienta en un intercambiador de calor bien aislado, por los gases de escape que entran a 800 K a razón de 60 kg/s, y sale a 400 K. El agua entra al intercambiador de calor a 200 °C y 8 MPa y sale a 350 °C y 8 MPa. Si los gases de escape se tratan como aire, con calores específicos constantes a temperatura ambiente, el flujo másico de agua por el intercambiador de calor será
• 10 Un ciclo Rankine ideal con recalentamiento opera entre los
límites de presión de 10 kPa y 8 MPa, con recalentamiento que se lleva a cabo a 4 MPa. La temperatura del vapor de agua a las
entradas de ambas turbinas es 500 °C, y la entalpía del vapor es 3.185 kJ/kg a la salida de la turbina de alta presión, y 2.247 kJ/kg a la salida de la turbina de baja presión. Despreciando el trabajo de la bomba, la eficiencia del ciclo es
• 11 El agua de alimentación presurizada en una planta
termoeléctrica de vapor de agua se va a calentar en un calentador ideal abierto de agua de alimentación, que opera a una presión de 2 MPa con vapor extraído de la turbina. Si la entalpía del agua de
alimentación es 252 kJ/kg y la entalpía del vapor extraído es 2.810 kJ/kg, la fracción másica de vapor extraído de la turbina es
• 12 Considere una planta termoeléctrica de vapor de agua que
opera en el ciclo Rankine re generativo con un calentador abierto de agua de alimentación. La entalpía del vapor es 3.374 kJ/kg a la
entrada de la turbina, 2.797 kJ/kg en la ubicación de la purga y
2.346 kJ/kg a la salida de la turbina. La producción neta de potencia de la planta es de 120 MW, y la fracción de vapor purgada de la
turbina para la regeneración es 0.172. Si el trabajo de la bomba es despreciable, el flujo másico de vapor a la entrada de la turbina es
• 13. Considere una planta eléctrica de cogeneración modificada con regeneración. El vapor de agua entra a la turbina a 6 MPa y 450 °C a razón de 20 kg/s, y se expande a una presión de 0.4 MPa. A esta presión, 60 por ciento del vapor de agua se extrae de la turbina, y el resto se expande a una presión de 10 kPa. Parte del vapor extraído se usa para calentar el agua de alimentación en un calentador
abierto de agua de alimentación. El resto del vapor extraído se usa para calentamiento de proceso, y sale del calentador de proceso como líquido saturado a 0.4 MPa. Luego se mezcla con el agua de alimentación que sale del calentador de agua de alimentación, y la mezcla se bombea a la presión de la caldera. El vapor en el
condensador se enfría y se condensa por el agua de enfriamiento de un río cercano, que entra al condensador adiabático a razón de 463 kg/s.
• 1. La producción total de potencia por la turbina es
• 2. La elevación de temperatura del agua de enfriamiento del río en el condensador es
• 3. El flujo másico de vapor a través del calentador de proceso es • 4. La tasa de calor proporcionado por el calentador de proceso por
unidad de masa del vapor que pasa por él es
• 5. La tasa de transferencia de calor al vapor en la caldera es