Ciclos Potencia a Vapor

(1)

Termodinámica Aplicada Termodinámica Aplicada Ingeniería Química Ingeniería Química

TEMA 9. CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

PROCESOS INDUSTRIALES

CALOR

CALOR TRABAJO YTRABAJO Y

POTENCIA POTENCIA PSICROMETRÍA PSICROMETRÍA REFRIGERACIÓN REFRIGERACIÓN GENERALIDADES GENERALIDADES CICLOS DE CICLOS DE POTENCIA POTENCIA DE VAPOR DE VAPOR CICLOS POTENCIA DE CICLOS POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS GAS Y OTROS CICLOS A

ANNÁÁLILISSISIS PROCESOS PROCESOS

BLOQUE II.

BLOQUE II. Anál Anál isis is is tertermomo didi námnám icic o do de pre prococ esoeso s is i ndndusus trtr ialial eses

TEMA 9: CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

OBJETIVOS

1.

1. CoCompmprerendnder eer ell funcionamiento de las máquinasfuncionamiento de las máquinas

térmicas

térmicas basadas en elbasadas en elciclo ciclo de Cade Carnotrnot y en ely en el ciclo de

ciclo deRankine idealRankine ideal y los aspectos imprácticosy los aspectos imprácticos asocia

asociados a ambos ciclodos a ambos ciclos, asís, así como elcomo el funcionamiento del

funcionamiento del ciclo real de Rankineciclo real de Rankine(ciclo(ciclo práctico)

práctico) 2.

2. CaCalclculular ar elelrendimiento térmicorendimiento térmico de los ciclos dede los ciclos de Carnot y Rankine

Carnot y Rankine 3.

3. CoCompmprerendnder er lalassmodificacionesmodificacionesque se puedenque se pueden introducir en las variables de operación del introducir en las variables de operación del ciclociclo

de Rankine

de Rankiney los procedimientos de mejora que sey los procedimientos de mejora que se pueden implementar para obtener un

pueden implementar para obtener un mayormayor

rendimiento térmico del ciclo

4.

4. RepreRepresentasentar todor todos los s los ciclos ciclos idealeideales y ps y prácticorácticoss analizados en el

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2

Termodin

Termodin áámica Apl icada 06/07mica Apl icada 06/07 Tema 9. Ciclos de potencia de vapor Tema 9. Ciclos de potencia de vapor

TEMA 9: CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

• INTRODUCCIÓN: Máquinas térmicas • CICLO DE CARNOT

• CICLO DE RANKINE

• DESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA REALES • MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (I)

• Reducción de la presión en el condensador

• Incremento de la temperatura de sobrecalentamiento • Incremento de la presión de calderas

• MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (II) • Recalentamiento intermedio

• Ciclos regenerativos

Termodin

TEMA 9: CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

•• INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓN:N: MMááquinasquinas ttéérmicasrmicas • CICLO DE CARNOT

(3)

Termodin

Ciclos de producci ón de trabajo

MÁQUINAS TÉRMICAS

Dispositivos especiales que convierten el calor en trabajo

CARACTERÍSTICAS GENERALES

1- Reciben q de una fuente de alta T (E

_solar

, hornos, reactores

nucleares...)

2- Convierten parte de ese q en w (normalmente en la forma de

un eje en rotación)

3- Liberan el q de desecho remanente en un sumidero de baja

temperatura (la atmósfera, ríos...)

4- Funcionan en un ciclo

El fluido al y desde el que se transfiere el calor cuando se

somete al ciclo se le denomina fluido de trabajo

Ciclos de producci ón de trabajo

• MÁQUINAS TÉRMICAS

•

Máquinas térmicas o plantas termoeléctricas

: utilizan un

fluido secundario en la expansión (vapor) y generan

electricidad

Son máquinas de combustión externa. La E

_térmica

liberada

durante el proceso se transfiere al vapor como calor

•

Máquinas de combustión interna

: utilizan los productos de

combustión en la expansión

Son dispositivos que producen trabajo y que no operan en

un ciclo termodinámico

• Sistemas combinados

TEMA 9

(4)

4

Termodin

Ciclos de potencia de vapor

• MÁQUINAS TÉRMICAS (fluido secundario):

• Centrales térmicas o termoeléctricas

• Sistemas de cogeneración (Industria Química):

• Ciclos de cabezas (fluido secundario: vapor)

• Ciclos de colas: (fluido secundario: vapor de baja

presión)

• Producciones grandes e intermedias

• Tecnología muy conocida: sistemas fiables y duraderos

• Admiten combustibles de baja calidad: fluido de trabajo

separado

• Inercia importante: largas puestas en marcha

• Gran volumen/superficie ocupada (caldera, turbina …)

Termodin

TEMA 9: CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

• INTRODUCCIÓN: Máquinas térmicas •• CICLO DE CARNOTCICLO DE CARNOT

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Termodin

• Se compone de 4 procesos totalmente REVERSIBLES:

1- Adición de calor isotérmica 2- Expansión isoentrópica 3- Rechazo de calor isotérmico 4- Compresión isoentrópica

El ciclo de Carnot se ejecuta en un sistema cerrado (dispositivo cilindro-émbolo) o en un sistema de flujo estable (con dos turbinas y dos compresores)

Es el ciclo de vapor más EFICIENTE que opera entre dos niveles de temperatura especificados (fuente de E_térmicaa T_Cy un sumidero a temperatura T_F)

Ciclo de Carnot (1824)

• La TQ isotérmica reversible es muy difícil de lograr en la realidad porque requeriría cambiadores de calor muy grandes y requeriría mucho tiempo

• No es práctico construir una máquina que operase en un ciclo que se aproximase al de CARNOT

• USO REAL del ciclo de Carnot: estándar contra el cual pueden compararse ciclos reales u otros ideales

• “La eficiencia térmica (rdto. Máx.) aumenta con un incremento en la temperatura promedio a la cual el calor se añade al sistema o una disminución en la temperatura promedio a la cual se rechaza calor del sistema”

• LÍMITES DE LAS TEMPERATURAS:

TC: Tmaxde los componentes de la máquina térmica (émbolo, álabes

de la turbina)

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6

Termodin

Ciclo de Carnot (1824)

T S C q& F q& 1 2 3 4 C q_& F q& 1 2 3 4 Turbina Bomba Caldera Condensador

• Todos los procesos reversibles→ _{Máquina ideal}

• Rendimiento máximo (afecta, como límite, a todas las máquinas térmicas):

• El representado es un ciclo de vapor. Podría hacerse con gas (T ctes,q yw

reversibles). 1 F Carnot C C T w q T η = & = − & Termodin

TEMA 9: CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

• CICLO DE RANKINECICLO DE RANKINE

(7)

Termodin

Ciclo de Rankine

CICLOS PRÁCTICOS:

• Los procesos de expansión y compresión en dos fases dan problemas:

Turbina y bomba→ _erosiones,

vibraciones, …

• Conviene mantener la transmisión de calor con cambio de fase (cond. y evap.):

Mayores coeficientes , transmisión de calor mas estable.

• Se utiliza el ciclo de Rankine (o de Hirn): el vapor es sobrecalentado en la caldera y se condensa por completo en el condensador

• El agua entra en la bomba en el estado 1 como líquido saturado y se comprime isoentrópicamente hasta la presión de operación de la caldera

• El agua entra a la caldera como líquido comprimido en el estado 2 y sale como vapor sobrecalentado en el estado 3 (proceso a P = cte)

• El vapor sobrecalentado se expande isoentrópicamente en una turbina (se produce w al hacer girar el eje conectado a un generador eléctrico) y se obtiene una mezcla saturada L-V con alta calidad (estado 4) y se condensa totalmente hasta líquido saturado (estado 1) y completa el ciclo

Ciclo de Rankine

F q • C q •

(8)

8

Termodin

Ciclo de Rankine

El área bajo la curva del proceso 2-3

representa el calor transferido al agua en la caldera; y el área bajo la curva 4-1

representa el calor rechazado en el condensador.

La diferencia entre estas dos (área encerrada por el ciclo) es el trabajo neto producido

• Se sobrecalienta (P=cte.) el vapor de salida de la caldera hasta que el título de salida de la turbina sea 1.

• Se condensa totalmente el vapor (la bomba trabaja con líquido saturado).

• Pero:

• Baja la eficacia (podría calentarse todo a T₁).

• Aumenta la T de entrada a la turbina (límite metalúrgico).

Termodin

TEMA 9: CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

•• DESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA REALESDESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA REALES • MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (I)

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Termodin

Desviaciones de los ciclos de potencia de vapor

DESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR REALES RESPECTO DE LOS IDEALIZADOS (Rankine)

• Irreversibilidades en los distintos componentes: la fricción del fluido, las pérdidas de calor indeseables hacia los alrededores

• FRICCIÓN DEL FLUIDO:caídas de presión en la caldera, el condensador y las

tuberías entre diversos componentes⇒_{DISEÑAR BOMBA MÁS GRANDE (P}

mayor que la que requiere el ciclo ideal, w_entradamayor)

• PÉRDIDA DE CALOR DEL VAPOR A LOS ALREDEDORES: para mantener el

mismo nivel de salida de wneto ⇒_{TRANSFERIR MÁS CALOR AL VAPOR EN LA}

CALDERA

• IRREVERSIBILIDADES EN LA BOMBA Y LA TURBINA : La bomba requiere un w_entradamayor y la turbina produce un w_salidamás pequeño⇒EMPLEAR EFICACIAS ISOENTRÓPICAS

• OTRAS: En los condensadores reales el líquido suele subenfriarse para evitar el inicio de la cavitación en la impulsión de la bomba. El vapor que se fuga durante el ciclo y el aire que entra en el condensador son fuentes de pérdidas

DESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR REALES RESPECTO DE LOS IDEALIZADOS (Rankine)

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10

Termodin

TEMA 9: CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

• DESVIACIONES DE LOS CICLOS DE POTENCIA REALES • MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (I)MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (I)

•• ReducciReduccióónn de lade la presipresióónn en elen el condensadorcondensador

•• IncrementoIncremento de lade la temperaturatemperatura dede sobrecalentamientosobrecalentamiento •• IncrementoIncremento de lade la presipresióónn de calderasde calderas

• Ciclos regenerativos

Termodin

Modificaciones de los ciclos de Rankine (1)

• Eficacia∼ _{{Área del ciclo / Área bajo el calentamiento}}→ , C F

q q

T _& ↑ T _& ↓

REDUCCIÓN DE P EN EL CONDENSADOR

• La reducción de la P de operación del condensador reduce automáticamente la T del vapor y, en consecuencia, la temperatura a la cual el calor se rechaza

• El trabajo neto de salida aumenta (aumenta el área encerrada por el ciclo), pero los requerimientos de

calor también aumentan pero en menor media ⇒

RENDIMIENTO MÁXIMO CICLO AUMENTA • EFECTOS COLATERALES: Disminución del título

(problemas de erosión de los álabes de la turbina) y filtraciones de aire dentro del condensador

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Termodin

Modificaciones de los ciclos de Rankine (2)

• Eficacia∼ _{{Área del ciclo / Área bajo el calentamiento}}→ , C F

q q

T _& ↑ T _& ↓

INCREMENTO T SOBRECALENTAMIENTO

• Sobrecalentar el vapor a altas temperaturas sin incrementar la Pcaldera

• Aumentan trabajo neto y el calor de entrada⇒

EFECTO FINAL INCREMENTO RDTO. MÁXIMO DEL CICLO

• VENTAJAS: Mejora de eficacia y título

• INCONVENIENTE: Límite metalúrgico (álabes de entrada 620ºC)

Modificaciones de los ciclos de Rankine (3)

INCREMENTO PRESIÓN DE CALDERAS

• El aumento de la Pcalderaeleva automáticamente

la T_ebullición ⇒Aumenta la T_C⇒Aumenta RDTO. MÁXIMO DEL CICLO

• INCONVENIENTE: Para una T de entrada fija en la turbina el ciclo se desplaza hacia la izquierda

⇒Aumenta el contenido en humedad del vapor

a la salida de la turbina

• Muchas plantas de vapor modernas operan a P_{supercríticas}(P> 22.09 MPa) y tienen eficacias térmicas de 40% con combustibles fósiles y 34% en las centrales nucleoeléctricas (T menores por razones de seguridad)

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12

Termodin

TEMA 9: CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

• MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (II)MODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE (II) •• RecalentamientoRecalentamiento intermediointermedio

•• CiclosCiclos regenerativosregenerativos

Termodin

Procedimientos de mejora de los ci clos de Rankine (1)

RECALENTAMIENTO INTERMEDIO

• Recalentamiento intermedio.

• Ciclos regenerativos. • Turbina de dos etapas o cuerpos.

• No hay problema de sobrecalentamiento

• Eficacia∼_{(misma Tª media calentamiento).}

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Termodin

Procedimientos de mejora de los ci clos de Rankine (1)

RECALENTAMIENTO INTERMEDIO

• Solución práctica al problema de humedad excesiva en las turbinas

• El proceso de expansión sucede en dos etapas: 1ª ETAPA: Turbina de alta presión, el vapor se

expande isoentrópicamente hasta una presión intermedia y se devuelve a la caldera donde se recalienta a P = cte, hasta la Tentradade la primera

etapa de la turbina; 2ª ETAPA: El vapor se expande isoentrópicamente (turbina de baja presión) hasta la Pcondensador

• La incorporación de un recalentamiento simple aumenta la eficacia del ciclo en 4-5%

• La presión de recalentamiento óptima se acerca a un cuarto de la presión máxima del ciclo (caldera)

Procedimientos de mejora de los ci clos de Rankine (2)

CICLOS REGENERATIVOS • Principio: Precalentar el agua de

alimentación a calderas para aumentar la temperatura media de adición de calor, con lo que aumenta la eficacia.

• Práctica: se precalienta con vapor extraído de una etapa intermedia de la turbina.

• Por cada extracción, una bomba (hasta 8)

• Reduce el flujo volumétrico de vapor en la turbina • Contribuye a la eliminación de aire el aliment.

C q& F q& Turbina B2 Caldera Condensador B1

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14

Termodin

Procedimientos de mejora de los ci clos de Rankine (2)

CICLOS REGENERATIVOS

CALENTADOR ABIERTO DE AGUA DE ALIMENTACIÓN (CONTACTO DIRECTO) • El vapor extraído de la turbina se mezcla

directamente con el agua de alimentación que sale de la bomba

• Idealmente la mezcla sale del calentador como líquido saturado

• El rdto. máximo del ciclo de Rankine aumenta como resultado de la regeneración: se eleva la T

promedio a la que el calor se añade al vapor en la caldera y eleva la temperatura del agua antes de que entre en ella

P_cond P_calent.

P_cald

Termodin

Procedimientos de mejora de los ci clos de Rankine (2)

CICLOS REGENERATIVOS

CALENTADOR CERRADO DE AGUA DE ALIMENTACIÓN

• El vapor extraído de la turbina NO se mezcla con el agua de alimentación que sale de la bomba (las dos corrientes pueden estar a presiones diferentes) CALENTADOR ABIERTO • Simples y económicos • Buenas características para la TQ • Llevan el agua de alimentación a saturación • Cada calentador

requiere una bomba

CALENTADOR CERRADO • Complejos y costosos • Peores características para la TQ • Llevan el agua de alimentación a saturación • Cada calentador NO requiere una bomba

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Termodin

Plantas de vapor

(16)

16

Termodin

Problema

Una planta de potencia funciona según un ciclo de Rankine entre las temperaturas de 600ºC y 40ºC. La presión máxima del ciclo es 8 MPa, la potencia de salida de la turbina 20 MW y su eficacia indicada de un 84%. En estas condiciones, determinar:

a) Flujo másico de vapor de agua que circula por el ciclo en kg/s b) Flujo másico mínimo de agua de refrigeración del condensador

(kg/s) si se permite una diferencia máxima de temperaturas de 10ºC

c) Título de vapor que se obtiene a la salida de la turbina d) Rendimiento térmico del ciclo

e) Representar en el diagrama T-S del agua el ciclo de Rankine propuesto

NOTA: Justificar todas las suposiciones realizadas

Termodin

Problema

CICLO TURBINA DE VAPOR

ESTADO 1 (Líquido saturado a T1= 40ºC)

P1 = 7,383 kPa

T1 = 4 0 º C

v1 = 0,001008 m /kg

H1 = 167,5 kJ/kg

S1 = 0,5723 kJ/kgºC

ESTADO 2 (Líquido comprimido a P2 = 8 MPa)

P2 = 8000 kPa

Cálculo del trabajo de la bomba WBOMBA = 8,057 kJ/kg

Cálculo de la entalpía 2 (H2)

H2 = 175,6 kJ/kg

ESTADO 3: Vapor sob recalentado que sale de la caldera a P3 = 8000 kPa y 600ºC

P3 = 8000 kPa ηTURB = 0,84 ) ( 2 1 1 P P v W BOMBA = − BOMBA W H H 2= 1+ s s real TURB s H H H H w w 4 3 4 3 , − − = = η L.S. 40ºC V.Sobrec. 600ºC 8 MPa W_T= 20 MW

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Termodin

Problema

Conocida T3 --> Calculo H3, S3 (tablas)--> Isoentrópico (S3 = S4) calculo H4s--> Con la eficacia turbina --> Calculo H4 ESTADO 4: Mezcla L-V a 7,4 kPa

H (kJ/kg) S (k J/k gºC) P4 = 7,383kPa 0 167,5 0,5723 x 100 2574,3 8,2578 T3 H3 S3 xs H4s H4 x (ºC) (kJ/kg) (kJ/kgºC) (%) (kJ/kg) (kJ/kg) (%) 600 3642 7,2821 87,3 2268,7 2488,5 96,4 WT = 20000 kW

BALANCE DE ENERGÍA A LA TURBINA

mvapor = 17,3 kg/s

BALANCE DE ENERGÍA AL CONDENSADOR

magua = 961,8 kg/s WBOMBA = 139,7 kW WNETO, TV = 19860,3 kW QCALDERA = 60101,4 KW 0,33 BOMBA TV TV NETO W W W _, = − CALDERA TV NETO TV Q W , = η ) ( ) ( 4 3 4 3 H H W m H H m W T vapor vapor T = − ⇒ = ₋ & & & & T Cp H H m m T Cp m H H m agua vapor agua agua agua vapor _Δ − = ⇒ Δ = − ) ( ) ( 4 1 1 4 & & & &

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Comprender el funcionamiento de las máquinas térmicas basadas en el

ciclo de Carnoty losaspectos i mprácticosasociados a este ciclo

2. Comprender el funcionamiento deRankine (ideal) y losaspectos

imprácticosasociados a éste, así como el funcionamiento de losciclos

reales

3. Calcular elrendimiento térmico de los ciclos de Carnot y Rankine 4. Comprender las modificacionesque se pueden introducir en las

variables de operación delciclo de Rankiney losprocedimientos de

mejoraque se pueden implementar para obtener un mayor rendimiento

térmico del ciclo

5. Representar todos los ciclos ideales y prácticos analizados en el

diagrama termodinámico T-S

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18

Termodinámica Aplicada

Ingeniería Química