Monografias | Ciclo RankineCiclo RankineResumen: Ciclo Rankine con Recalentamiento. Ciclo Rankine con Regeneración. Indice 1. Introducción
La planta de generación de
vapor ideal que aparece en el esquema de la Figura 1 se puede analizar mediante
el ciclo Rankine, cuyos diagramas presión-volumen y temperatura entropía
aparecen en la Figura 2. El vapor saturado seco descargado por la caldera a una
presión P1 es suministrado a la turbina, en donde se expande isoentrópicamente
hasta la presión P2. En el condensador se transforma el vapor húmedo, isobárica
e isotérmicamente, en líquido saturado mediante la remoción de calor. Puesto
que la presión en el condensador P2 = P3 es mucho menor que la presión del
vapor en la presión del vapor en la caldera P4 = P1, el líquido saturado
se bombea isoentrópicamente hasta alcanzar la presión P4. El líquido
comprimido es suministrado por la caldera, en donde se calienta primero hasta la
temperatura de saturación correspondiente a la presión P1, y luego se evapora
hasta transformarse finalmente en vapor saturado seco para terminar el ciclo
termodinámico.
La eficiencia térmica de
este ciclo Rankine ideal puede obtenerse recurriendo a la primera ley de la
termodinámica. El trabajo requerido por la
bomba es generalmente muy pequeño comparado con el trabajo desarrollado por la
turbina. De aquí que la expresión del rendimiento generalmente se simplifique
así: La Figura 3 ilustra en forma
esquemática en ciclo Rankine con sobrecalentamiento. El trabajo desarrollado
por el ciclo se incrementa por el área x-1-2-a-x, y el calor transferido a la
caldera por el área x-1-2'-a'-x, aumentándose así la eficiencia térmica del
ciclo. Obsérvese que el título del vapor descargado por la turbina también se
incrementa, o en otras palabras, la humedad disminuye.
La eficiencia térmica del
ciclo Rankine también puede incrementarse disminuyendo la entalpía del vapor a
la descarga de la turbina. Esta disminución generalmente se logra disminuyendo
la presión de operación de condensador. Sin embargo, una disminución de la
presión de descarga trae como consecuencia un aumento en la humedad del vapor
descargado por la turbina. Esta consecuencia es significativa si se considera
que una humedad excesiva en los últimos pasos de la turbina origina una
disminución en el rendimiento de ésta, y puede dar origen a la erosión de los
alabes.
2. Ciclo
Rankine con Recalentamiento
La eficiencia del ciclo
Rankine puede incrementarse también aumentando la presión de operación en la
caldera. Sin embargo, un aumento en la presión de operación de la caldera
origina un mayor grado de humedad en los últimos pasos de la turbina. Este
problema puede solucionarse haciendo uso de recalentamiento, en donde el vapor a
alta presión procedente de la caldera se expande solo parcialmente en una parte
de la turbina, para volver a ser recalentado en la caldera. Posteriormente, el
vapor retorna a la turbina, en donde se expande hasta la presión del
condensador. Un ciclo ideal con recalentamiento, y su correspondiente diagrama
temperatura-entropía aparece en la siguiente figura. Obsérvese en esta figura
que el ciclo Rankine con sobrecalentamiento solamente, sería más eficiente que
el ciclo con recalentamiento, si en el primero fuera posible calentar el vapor
hasta el estado 1' sin incurrir en problemas de materiales.
El ciclo Rankine con
recalentamiento puede ayudar a elevar minimamente la eficiencia del ciclo, pero
se usa para alargar el tiempo de vida de la turbina. Idealmente podríamos usar
una cantidad infinita de recalentamientos para continuar elevando la eficiencia
pero en la practica solo se usan dos o tres, ya que la ganancia de trabajos es
muy pequeña.
Ciclo Rankine ideal con
recalentamiento
3. Ciclo
Rankine con Regeneración.
La eficiencia del ciclo
Rankine es menor que un ciclo de Carnot, porque se añade calor distinto al de
la temperatura más alta. Este defecto se puede compensar usando un ciclo
regenerativo. A continuación se presentan dos métodos, aunque el primero es
muy impractico. En la figura A el liquido se bombea hacia unos serpentines en la
turbina para lograr una transmisión de calor. Así, podemos decir que el fluido
sufre un incremento de temperatura reversible de a hasta b, mientras que se
expande y enfría reversiblemente desde d hasta e. La eficiencia térmica de
este ciclo regenerativo es igual a la del ciclo de Carnot. La prueba es que en
el ciclo existen tres condiciones:
El calor es añadido al
ciclo a una temperatura constante TA Ahora, comparando con las
condiciones del ciclo de Carnot, vemos que son iguales. Para este sistema hipotético,
el calor se transfiere solamente en los puntos donde la temperatura es máxima y
mínima. Si tenemos un numero finito de puntos de extracción la
irreversibilidad de las mezclas hace que exista una perdida de energía. Aunque
estas perdidas se den, la eficiencia térmica de un ciclo regenerativo
irreversible puede ser mayor que un ciclo Rankine reversible común. Esto es
posible gracias a que en un ciclo regenerativo el calor se añade a una
temperatura promedio mas alta, y por eso un mayor porcentaje de este calor puede
ser convertido en trabajo.
Dado que la mayor perdida de
energía de una planta de potencia se presenta en el condensador, en donde se
desecha calor al medio enfriador, es pertinente considerar métodos de reducir
este calor desechado y de mejorar la eficiencia del ciclo.
El método mas deseable de
calentamiento del condensador seria uno que fuera reversible y continuo.
Suponiendo que esto fuera posible el diagrama T-S estaría representado por la
figura siguiente:
En este diagrama se
considera que el vapor esta saturado al inicio de la expansión. La curva 4-5 es
paralela a la 3-6 puesto que se postulo que el calentamiento es reversible. Se
observara que el incremento de Entropía durante el calentamiento es igual a la
disminución durante la expansión y enfriamiento del vapor, y que el área
4,5,6,3 es igual al área 1,2,3,6,7.
En la practica, este ciclo
ideal se obtiene de forma aproximada permitiendo que el condensado de la bomba
de alimentación se caliente en un calentador o en calentadores separados por el
vapor que se extrae de la turbina despues que este se ha expandido en forma
parcial y ha realizado un trabajo. El vapor extraído de la turbina puede
mezclarse directamente con el condensado (como en un calentador abierto) o bien
intercambiar calor en forma directa y condensar (como en un calentador cerrado)
En la figura se muestra un
esquema de un ciclo practico:
Se tienen dos tipos de
calentadores:
Calentador Abierto
Calentador Cerrado Datos: 1ª ley Trabajo de la bomba.
Suponiendo que el agua es un liquido incompresible y un proceso adiabático
reversible. Calor añadido para la
caldera. Trabajo producido por la
turbina. Eficiencia total. Usando el ejemplo anterior,
considerar un ciclo con recalentamiento donde se extrae el vapor a 60 lbf/pl2
y se recalienta hasta 800ºF. Calculando el trabajo para
la turbina. Calor Total en la Caldera. Nótese como la eficiencia
total sube muy poco (de 36.89% a 37.78%) pero sin embargo, logramos hacer que la
calidad en la salida de la turbina subiera considerablemente (de 81.36% a
95.84%).
Ahora consideremos el primer
ejemplo pero con regeneración. Se extrae el vapor a 60 lbf/pl2 para
llegar a un calentador de contacto directo. La presión en el calentador es de
60 lbf/pl2 y el agua sale como liquido saturado a la misma presión.
Usando los datos obtenidos
de los problemas anteriores: Calculando el trabajo para
la bomba de baja presión B. Ahora para la bomba de alta
presión A. El trabajo proporcionado por
la turbina es: Calor añadido a la caldera: Calculando la eficiencia: Con este ejemplo vemos que
la eficiencia salta a un valor mayor al que se logra con el recalentamiento,
pero haciendo uso de este método regresamos a una calidad inferior a la salida
de la turbina que la lograda con el ciclo Rankine con recalentamiento.
Autor: Compartir Publicación enviada por Garibaldi Pineda Garcia Contactar mailto:gpineda@pop3free.com Código ISPN de la Publicación EpZklEuZEuvPVChsIC Publicado Tuesday 30 de December de 2003 Ultimas Publicaciones en ilustrados.com
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