Tema 11 Ciclos con vapor

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Tema

11

11 Ciclos con vapor

Ciclos con vapor

Termodinámica Curso 2006-2007

Ciclos con vapor: Esquema

1. Ciclos de Rankine

1.1 Rendimientos de máquinas bitermas 1.2 Fluidos empleados

1.3 Ciclo de Rankine simple

2. Factores que afectan al rendimiento (ciclos potencia) 2.1 Aumento de presión en caldera

2.2 Sobrecalentamiento del vapor

2.3 Reducción de presión en condensador

3. Modificaciones para aumentar el rendimiento (ciclos potencia)

3.1 Ciclos con recalentamiento 3.2 Ciclos regenerativos

3.3 Sistemas de cogeneración 4. Ciclos de Rankine inversos

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1. Ciclos de

Rankine

• Ciclos con circulación: sistemas abiertos

interconectados, que realizan procesos

estacionarios

• Elementos básicos:

– Fluido que recorre un proceso cíclico – Foco caliente (aporta Q_c)

– Foco frío (absorbe Q_f)

• Ciclo de Rankine: usa un vapor

Q_c

Q_f

W_n

• Ciclos con circulación: sistemas

abiertos interconectados, que realizan procesos estacionarios.

• Ciclos térmicos: objetivo, producir

trabajo

• Ciclos frigoríficos: objetivo, extraer

calor de un T_f < T₀

• Bomba de calor: objetivo,

comunicar calor a un T_c > T₀ η= W ≤ − < Q T T c f c 1 1 COP Q W T T T f f c f = ≤ − COP Q W T T T c c c f = ≤ −

1.1 Rendimientos de m

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Criterios de selección

• Seguridad: no tóxico, ininflamable, no explosivo, no irritante…

• Coste de la inversión y operación: precio barato; alto calor latente de vaporización (menor tamaño, luego menor coste); presiones de saturación ni muy altas ni muy bajas en el rango de T (presiones extremas

aumentan el coste de la instalación)…

• Mantenimiento: insoluble en lubricantes, inactivo químicamente, no corrosivo…

• Condiciones fisicoquímicas: no debe solidificar en el rango de T; baja viscosidad (reduce irreversibilidades)...

1.2 Fluidos empleados en ciclos de vapor

• Ciclos de potencia: casi siempre

agua

, cumple

todos los requisitos.

– Tratamiento químico: desalinización, eliminación

de O₂ disuelto, eliminación de microorganismos…

• Ciclos frigoríficos y bomba de calor:

fluor-cloro-carbonos (

‘freones’

)

– Han desplazado al NH₃ por su no toxicidad.

– Efectos medioambientales indeseables (destruye

O₃ de estratosfera, efecto invernadero).

– Nomenclatura comercial: ‘Regla del 90’: R-xy =

C_XH_YF_ZCl_(ajuste)

xy + 90 = XYZ

Fluidos empleados

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• Ciclo ideal teórico entre 2 focos: ciclo de Carnot (máximo

rendimiento posible)

• Ciclos de potencia: T_f baja, T_c alta

– T_f > T₀, el foco frío es normalmente el ambiente.

– T_c < T_máx, máxima T que soportan los materiales:

• Aceros al C: 300 °C

• Aceros ferríticos: 540 °C (a T<570 °C: Fe+H₂O=Fe₃O₄ [magnetita, compacto]; a T>570 °C: Fe+H₂O=FeO [wustita, porosa]).

• Aceros inoxidables austeníticos: 650 °C o más (más

caros)

• Ciclos frigoríficos: T_c - T_f baja, T_f alta

– T_f depende de la aplicación

– T_c > T₀, el foco caliente es el ambiente

η= W ≤ − < Q T T c f c 1 1 COP Q W T T T f f c f = ≤ −

1.3 Ciclo de

Rankine

simple

• Ciclo ideal teórico:

T s c difícil de realizar T s c cavitación

1.3 Ciclo de

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• Ciclo ideal práctico

T s T s Con- den-sador 1 ₂ 3 4 1 2 3 4 4 3 2 1 2 1 3 4 Ciclo de potencia Ciclo frigorífico Turbina Caldera Bomba Condensador Evaporador Com-presor Válvula Condensación hasta líquido saturado Evaporación hasta vapor saturado Expansión sin trabajo (derrame)

Ciclo de

Rankine

• Turbina y bomba:

– Proceso no isoentrópico (aunque sean

adiabáticos)

• Caldera:

– Irr. interna: pérdida de presión

– Irr. externa: diferencia de temperatura con hogar

• Condensador:

– Irr. interna: pérdida de presión (mucho menos

importante)

– Irr. externa: diferencia de temperatura con el

refrigerante (agua)

– El agua del refrigerante no suele usarse: pérdida

Ciclo real: irreversibilidades

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Ireversibilidades

en turbina y bomba

T

s 1 2s 3 4 2 4s Rendimientos isoentrópicos: 3 4s 4 Turbina: s s h h h h 2 1 2 1 − − = η Bomba: 3 4 3 3 4 3 4 h h P v h h h h _s s ₋ Δ ≅ − − = η

2. Factores que afectan al rendimiento

3≈4 2’ 2 2” 1 1” 1’ h s caldera T = β condensador T = α β α β α tan tan 1 tan ) ( tan ) ( 1 1 1 3 2 3 2 3 1 3 2 4 1 3 2 = − − − − = − − − ≅ − − − = + = = s s s s h h h h h h h h q q q q w η c f c c n

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Temperatura media termodin

á

mica

vdP

Tds

dh

=

+

• En general:

• Si P=cte:

• Temp. media

termodinámica:

)

(

₂ ₁ 1 2 2 1 2 1

s

T

h

Tds

dh

Tds

dh

=

∴

∫

=

∫

∴

−

=

−

1 2 1 2

s

h

T

−

=

2.1 Aumento de presi

ó

n en caldera

• Limitaciones:

– Baja el título del vapor de salida de turbina (2’): x₂> 0,85

– Aumento de espesor del tubo: precio, seguridad, peor transmisión

del calor

• Valores típicos:

– Centrales térmicas convencionales: 16 MPa

– Centrales supercríticas (evaporación sin burbujeo): > 22 MPa

(presión crítica) 2’ 2 3 43 4 1 1’ s T_cmedia a b

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2.2 Sobrecalentamiento del vapor

• Aumenta la temperatura media del vapor en caldera • Evita títulos bajos en salida de turbina (2”)

• Límite: resistencia térmica del material (oxidación de los

tubos de caldera). Típico: 540 °C

2” 2 3 43 4 1 1” s T_cmedia a b T_max

2.3 Reducci

ó

n de presi

ó

n en condensador

)

(

)

(

_s _e _v _s e v

T

=

+

−

+

−

2

3 T

_e

T

s

T

_v

• T

_{refrigeración}

e

: temperatura del agua de

• T

_s

-T

_e

: calentamiento del

agua de refrigeración

• T

_v

-T

_s

: desnivel térmico en el

condensador

• Presión en el condensador:

función de la temperatura

de condensación

T

_v

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Presi

ó

n en el condensador

T_e: temperatura del agua de refrigeración

• Cambios estacionales (baja en

invierno, alta en verano)

• Diseño: caso más desfavorable

2

3 T

e

T

s

T

v

)

(

)

(

_s _e _v _s e v

T

=

+

−

+

−

Presi

ó

n en el condensador

T_s-T_e: calentamiento del agua de refrigeración

• Relacionado con el calor que se

debe retirar en el condensador: Q_f =mc_p(T_s-T_e) = Q_c(1−η) = W_n(1/η −1)

• m depende de la disponibilidad de agua (costa o interior):

– Límite ecológico (3 °C)

– Torres de enfriamiento + piscina de

reserva

2

3 T

_e

T

s

T

_v

)

(

)

(

_s _e _v _s e v

T

=

+

−

+

−

Para W_n=200 MW, η=0,34, T_s-T_e=3 °C: Q_f = 340 MW, m = 31000 kg/s = 31 m3_{/s !!!}

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Presi

ó

n en el condensador

T_v-T_s: desnivel térmico en el condensador

• Depende del diseño (puede llegar

hasta 1 °C); suele ser ~7 °C

2

3 T

e

T

s

T

v

)

(

)

(

_s _e _v _s e v

T

=

+

−

+

−

T_e T_s T3 T₂ T_v T Q

Presi

ó

n en el condensador

• Valores típicos: 30 °C (4,2 kPa) - 45 °C (10 kPa) • Consecuencias prácticas:

– El condensador opera a vacío (P₀~100 kPa): entrada de aire por fugas

– Escape de la turbina de baja presión: volumen del vapor

grande. Necesario controlar estos parámetros:

• Velocidad del vapor: no llegar a la velocidad del sonido

(E_c reduce el trabajo de turbina)

• Sección de salida: velocidad periférica de los álabes,

determinada por fatiga (~ 400 m/s)

Consecuencia: división de flujo en turbina de baja

~

(11)

3.1 Ciclos con recalentamiento

3.2 Ciclos regenerativos

a) Regeneradores abiertos b) Calentadores cerrados c) Calentadores múltiples

3.3 Cogeneración

3. Modificaciones para mejorar el rendto.

• En ciclo de Rankine simple:

– Aumento de P caldera: inconveniente, bajo título

salida turbina

– Sobrecalentamiento de vapor: límite,

temperatura del material

• Combinación de los dos efectos:

– Dividir la expansión de turbina en dos etapas – Recalentamiento intermedio del vapor

3.1 Ciclos con recalentamiento

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Termodinámica Curso 2006-2007 1 2 3 4 5 6 TA TB T s 1 2 3 4 5 6

Ciclos con recalentamiento

• Elección de la presión intermedia:

– Temperatura media termodinámica: recalentador

> caldera

• Aumentan Q

_c

y W: no necesariamente aumenta

η

• Temperatura final de la expansión intermedia

(2): cerca de la línea de saturación

Δ Δ Δ Δ h s h s ⎛ ⎝⎜ ⎞⎠⎟ >⎛⎝⎜ ⎞⎠⎟ 23 61

Ciclos con recalentamiento

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Aumento de temperatura media

3 3 3 4 14 14 1 2 2 2 s T_c media

(a) Ciclo ideal simple

de Rankine (b) Ciclo ideal con sobrecalentamiento (c) Ciclo ideal con sobrecalentamiento y recalentamiento a bc T_max P_max P_int P_cond Termodinámica Curso 2006-2007

• Precalentamiento regenerativo del agua de

entrada a la caldera

– Mejora la temperatura media termodinámica en

la calefacción

– Reduce irreversibilidad externa en caldera

a) Regeneradores abiertos

b) Calentadores cerrados

c) Calentadores múltiples

3.2 Ciclos regenerativos

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• Calentadores de contacto directo (de mezcla): el

agua del condensador se calienta con una purga

de la turbina (extracción o sangría)

1 2 5 3 4 6 TA TB 7 (1) (m) (1-m) T s 1 2 3 4 5 6 7

a) Regeneradores abiertos

• Diseño: salida del calentador es líquido saturado

(o ligeramente subenfriado: hasta 3 °C): de ahí,

caudal de la sangría

– Balance entálpico en el calentador:

• Se usa como desaireador o desgasificador: P ~ 2

bar

– Aire que entra en condensador (¡a vacío!)

– Agua descompuesta en H₂ y O₂ a altas temp: muy oxidante

– Sólo una salida: líquido

0 ₂ 1 ₅ ₆ 6 5 2 5 = + − − ∴ = − − mh m h h m h h h h ( )

Regeneradores abiertos

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• Ventajas:

– Sencillez: bajo precio – Mejora el rendimiento

• Inconvenientes

– Dos bombas

– Dificultad de mezcla: burbujeo de vapor en

líquido

Regeneradores abiertos

• Intercambiadores de calor tipo carcasa y tubos

• El vapor extraído condensa en el exterior de los tubos: el

agua de alimentación a caldera se precalienta

• Dos posibles diseños:

Vapor de extracción Condensado Agua de alimentación Hacia la línea de alta presión Bomba Vapor de extracción Condensado Agua de alimentación Válvula de estrangulación Hacia el calen-tador de baja presión o el condensador

b) Calentadores cerrados

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Termodinámica Curso 2006-2007 1 2 5 3 4 7 TA TB 6 (1) (m) (1-m) (m) 8 (1) T s 1 2 3 4 5 6 7 8

Calentadores cerrados

• Diseño: salida del calentador (6) es líquido

subenfriado T

₆

<T

₇

; aguas de condensado (7):

líquido saturado o ligeramente subenfriado

– Balance entálpico en el calentador:

0 ₂ ₇ ₅ ₆ 6 5 2 7 = − + − ∴ = − − m h h h h m h h h h ( ) ( )

Calentadores cerrados

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• Ventajas:

– Diferentes presiones en purgas y agua de

alimentación

– Mejora el rendimiento

– Facilidad de intercambio de calor

• Inconvenientes

– Equipo más caro

Calentadores cerrados

• Varios calentadores mejoran el rendimiento

• Elección del número: criterios económicos

• Uno abierto (desaireador), resto cerrados

• Cálculo de fracciones extraídas: balances

energéticos en cadena, empezando por el

regenerador de mayor presión

• Elección de presiones de sangrías: se suele

dividir el calentamiento en tramos iguales de T

c) Calentadores m

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Termodinámica Curso 2006-2007 Ejemplo

Ejemplo: Central con : Central con recalentamientorecalentamiento y y calentadores

calentadores mmúúltiplesltiples (1 (1 abiertoabierto, 4 , 4 cerrcerr.).)

25 24 23 22 20 21 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 5 4 8 7 6 3 2 1