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CAPÍTULO 12 Ciclo Rankine INDICE Introducción Planta Térmica a Vapor 12.1 Ciclo Rankine. 12.2 Diagrama h - s de Mollier 12.3 Bombas 12.4 Calderas 12.5 Turbinas 12.6 Condensadores 12.7 Mejoras del ciclo teórico 12.8 Ciclo con sobrecalentamiento 12.9 Ciclo con Recalentamiento 12.10 Ciclo con Regeneración 12.11 Ciclo con Cogeneración 12.12 Ciclos Binarios Problemas 12.1 CICLO RANKINE (Centrales Térmicas a vapor) Consideraciones: -Proceso FEES –Estacionario. -EK = 0; EP = 0 Procesos: 1-2: Bomba de Líquido (s = c) 2-3: Calentamiento (vaporización a P = c) 3-4: Expansión adiabática (s = c). 4-1: Condensación a P = c. Rendimiento del ciclo: th th W Qsum Wt WV Aquí hay un error, cuál es? Qsum W t ( 3 4 ) W t (1 2 ) W bomba W turbina Qsum Q23 th Q23 Q41 Q23 1 Q41 Q23 1 Este ciclo usa vapor de agua como sustancia pura, usaremos Tablas de Vapor y diagramas T-s y h -s ¿Dónde se utiliza este Ciclo de Vapor ? Locomotora de vapor, 1866 Máquina de Vapor, 1838 Motocicleta a vapor, 1889 Barco de Vapor Primera locomotora de vapor del mundo, construida en 1804. CICLO RANKINE IDEAL DIAGRAMA T - s CICLO RANKINE REAL También : Diagrama h . s - Mollier 12.3 Bombas -Aproximadamente adiabática. 2 q 2 q1 0 , adiabático ( u 2 u1 ) 0 Pdv 2 ( h2 h1 ) 1 vdP 1 0 2 ( h2 h1 ) vdP 0 1 v 2 v 1 v 1f 2 ( h2 h1 ) vdP v 1f ( P2 P1 ) w t (1 2 ) 1 h2 h1 v 1f ( P2 P1 ) w t (1 2 ) h2 h1 Rendimiento isoentrópico de la bomba (si te dan como dato) nsb = vf1 (P2 - P1)/ Wt 12 Las bombas sirven para dar el flujo de masa m , y elevar la presión en líquidos !! Wt (1 2) m (h2 h1 ) h2 h1 v f1 (P2 - P1 ) Bombas Centrífugas Bombas Centrifugas en serie y paralelo. Lab. Energía PUCP Esquema Técnico de una bomba todas las bombas se calculan con la misma formula anterior, solo cambiaran las propiedades del liquido Bombas centrífugas Bombas de Pistón 12.4 Calderas Caldera: 3 q3 q2 ( u3 u2 ) 0 Pdv 3 ( h3 h2 ) 2 0 q ( 2 3 ) h3 h2 Rendimiento de la Caldera cal Q ( 23) m (h3 h2 ) Q C m c PC vdP 2 0 , isobárica COMBUSTIBLES Poder Calorífico Petróleo Crudo Gas natural Asociado Gas licuado Gasolina de Aviación Gasolina Automotriz Jet Fuel Kerosene Diesel/Gas oil Fuel Oil No energético Electricidad Leña (Altiplano) Leña (Tierras bajas) Residuos Animales Bagazo Carbón Vegetal (Doméstico) Carbón Vegetal (Fundición) 11507 kcal/kg 273.9 kcal/PC 11833 kcal/kg 11667 kcal/kg 11667 kcal/kg 11284 kcal/kg 11237 kcal/kg 11055 kcal/kg 11137 kcal/kg 11507 kcal/kg 860 kcal/kWh 3500 kcal/kg 3000 kcal/kg 2760 kcal/kg 1800 kcal/kg 6500 kcal/kg 0.7450 kg/l 1.0 0.5500 kg/l 0.7500 kg/l 0.7000 kg/l 0.8400 kg/l 0.7980 kg/l 0.8000 kg/l 0.8500 kg/l 0.8100 kg/l 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 7000 kcal/kg 1.0 Peso Específico Carbón Caldera Acuotubular Caldera Pirotubular Este tambien??? Centrales nucleares Centrales Térmicas Centrales nucleares 12.4 Turbinas de vapor 4 q ( 3 4 ) ( h4 h3 ) vdP 3 w t ( 3 4 ) Si la turbina es adiabática : w t(3 - 4) h4 h3 - A la salida de la turbina (x = 90% como mínimo), para que no se produzca erosión en los alabes, ni corrosión. Potencia Técnica de la Turbina: (h h ) W t ( 3 4 ) m 3 4 Eficiencia Isentrópica de la Turbina o eficiencia adiabática: h3 h4 h 3 h 4 st Rendimiento Mecánico: m T W t( 3 4 ) Rendimiento del Generador: gen VI T Turbina de Vapor Qué hace esta máquina aquí? 12.6 Condensadores 1 q1 q 4 ( u1 u 4 ) 0 Pdv 1 ( h1 h4 ) 4 0 vdP 4 0 q ( 4 1 ) h1 h4 Q ( 41) m (h4 h1 ) m h4 m refrighe m h1 m refrighs m (h4 h1 ) m refrig (hs he ) (hs he ) m refrig cP ( refrig) (Ts Te ) si se da como dato T INTERCAMBIADORES DE CALOR: - Condensadores. Calentadores. Enfriadores. Radiadores. Regeneradores. Intercambiadores. Separadores. Torres de Enfriamiento. Tubos Tipos de condensadores Torres de enfriamiento - CALENTADORES: Isobáricos Adiabáticos. Abiertos: P1 P2 P3 h3 hf h m h (m m )h m c 2 f 1 c f 3 Cerrados: P1 P2 P3 P4 h4 hf h m h m h m h m c 3 f 1 f 2 c 4 RENDIMIENTO DE LA PLANTA: Planta VI th cal m gen Q C Planta W Q ( 2 3 ) T VI Wt T Q( 2 3 ) Qcom gen th t c al m CICLOS POSITIVOS (Máquinas Térmicas) Se suministra calor para obtener trabajo. El resto de calor se evacua a una fuente de baja temperatura. Eficiencia Térmica: th W Qsum W obtenido ( ) Qdesde el recipiente de alta temperatur a ( ) Sabemos que: W Q th Q A QB QA (Ciclos) 1 QB QA 1 1 QB (-) sale del sistema QA (+) suministrado al sistema W W W t V Ejemplo: Central Térmica: th th Q W W W t Qsum V Qsum W bomba W turbina W t ( 3 4 ) W t (1 2 ) Qsum Q23 th Q23 Q41 Q23 1 Q41 Q23 1 RENDIMIENTO DE LA PLANTA: Planta VI th cal m gen Q C Planta W Q ( 2 3 ) T VI W t T Q ( 2 3 ) Q com gen th t cal m Softwares 12.7 Mejoras al Ciclo teórico Podemos incrementar la presión en la caldera pero luego de la turbina cae dentro de la zona de mezcla y puede bajar la calidad de 90 %, lo cual seria peligroso también podemos bajar la presión en el condensador con una bomba de vacío, y aumentamos el área y el trabajo. no podemos bajar de 1 bar absoluto !!! 12.8 Ciclo con Sobrecalentamiento W W W t ( 3 4 ) t (1 2 ) t th Q sum Q ( 23) 12.9 Ciclo con Recalentamiento th W t Q sum Wt (3 4 ) Wt (56 ) Wt (1 2 ) Q ( 23) Q ( 45) 12.10 Ciclo con Regeneración 12.11 Ciclo con Cogeneración 12.12 Ciclos Binarios Ejemplo: Se tiene un ciclo Rankine regenerativo de dos extracciones y recalentamiento intermedio. Los calentadores son isobáricos y adiabáticos. La caldera y el recalentador son isobáricos. Las expansiones de cada una de las etapas de las turbinas de alta presión TAP se realiza con un rendimiento isentrópico de 0.76 y la turbina de baja presión TBP tiene un rendimiento isentrópico de 0.82. Deberá considerar:Ep y Ek despreciables-Líquido incompresible-Las bombas son adiabáticas reversibles. Determinar:a)Los diagramas T-s y h-s.b)Todas las entalpías específicas (kJ/kg).c) Los flujos de masas m7, m10, m11. Si m6=0.2kg/s.d) La eficiencia del ciclo.e) Sería posible una expansión adiabática desde P12 hasta P13, pero de manera que x13=86%
