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El ciclo Rankine con regeneración Otra técnica para elevar la temperatura promedio del proceso de adición de calor. Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Panorama • Repaso: el ciclo de recalentamiento • El ciclo Rankine con regeneración –Calentadores de alimentación por agua, abiertos y cerrados • Ejemplo Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Repaso: el ciclo de recalentamiento Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración El ciclo de recalentamiento • El recalentamiento del fluido en expansión con una fuente de calor primaria se realiza en puntos intermedios del proceso de expansión. • El efecto neto es que se eleva la temperatura promedio de expansión de la turbina sin que se eleve la temperatura de la fuente de calor. Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración El ciclo de recalentamiento La expansión adicional permite una entalpía mayor por liberarse entre los estados 3 a 4. 3 T p1 6 2 5 1 p2 4 Aquí se agregó un proceso adicional de recalentamiento. s Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración 3 T p1 6 2 5 1 p2 4 W35 W6 4 W1 2 Q23 Q56 h3 h5 (h6 h4 ) (h2 h1 ) h3 h2 h6 h5 Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki s Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración El ciclo Rankine con regeneración Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Principio del ciclo regenerativo c WFUERA QH b Como resultado del calentamiento a partir de los estados a – b, se tiene una alimentación de agua a mayor temperatura. Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki d e a QC WENTRA Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración f Procesos afectados • El calentamiento de algunos de los líquidos comprimidos se hace para elevar la temperatura promedio de la adición de calor. • El calentamiento se realiza después de que se comprimió el líquido a presión mayor en el estado a. Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración El diagrama T-s para el ciclo regenerativo c T b a d f e s Transferencia de calor interna para alimentar de agua al calentador. Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Consideraciones prácticas... • Las turbinas no se pueden diseñar en forma económica con intercambiadores de calor internos. • En la turbina puede ocurrir condensación. ¡Impráctico! Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Ciclo regenerativo práctico W1,SALE 5 QH W2,SALE 6 7 4 3 WENTRA,1 2 1 QC WENTRA,2 Q2-3 = 0 Calentador de alimentación de agua Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Diagrama h-s para el ciclo regenerativo h 5 QH WSALE,1 6 (1 kg) 4 WENTRA,2 2 WENTRA,1 WSALE,2 3 (y kg) (1-y kg) 1 WSALE,1 h5 h6 WENTRA,1 h4 h3 QH h5 h4 Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki 7 QC and WSALE , 2 (1 y )h6 h7 s and WENTRA, 2 1 y h2 h1 Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Balances de energía y eficiencia térmica h5 h6 (1 y )h6 h7 h4 h3 (1 y )h2 h1 h5 h4 h 5 QH WSALE,1 6 (1 kg) 4 WENTRA,2 2 WENTRA,1 WSALE,2 3 (y kg) (1-y kg) 1 Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki 7 QC Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración s Calentadores de alimentación de agua Calentadores de alimentación de agua, abiertos y cerrados Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Regeneración con un calentador de alimentación de agua abierto WSALE QH La regeneración con un calentador de alimentación de agua abierto con la tasa de fracción de masa de “y” por unidad de masa de la tasa de flujo primario. y 1-y QC WENTRA,1 Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki WENTRA,2 Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración El calentador de alimentación de agua abierto y De la turbina. (y kg) A la segunda bomba de alimentación de agua (1 kg) Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki 1-y Desde la salida del condensador y primera bomba de alimentación de agua (1-y kg) Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Ciclo regenerativo con calentador de alimentación de agua cerrado 1-y 1 WT QH 2 y 6 Calentador de alimentación de agua cerrado QC 3 5 Condensador 4 1-y 7 y 8 Trampa Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Diagrama T-s para un ciclo regenerativo con calentador de alimentación de agua cerrado T 1 6 2 7 5 4 8 3 s Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Ejemplo: regeneración con una sola extracción y calentador de alimentación de agua abierto Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Ejemplo Un ciclo regenerativo Rankine con extracción única suministra vapor saturado a 500 psi en la entrada de la turbina. La condensación ocurre a 70o F. Se incluye un calentador de alimentación de agua abierto, y usa vapor a temperatura en el punto medio de los límites del ciclo. Se considera que todos los procesos son internamente reversibles, excepto el que ocurre en el calentador regenerativo. Ignore los efectos de las EC y EP y determine la eficiencia térmica, la irreversibilidad interna y la extreacción de vapor. Suponga una operación estable. Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Ejemplo: diagrama en planta WSALE b QH c y g Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki 1-y QC f a WENTRA,1 d e WENTRA,2 Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Ejemplo: diagrama T-s T 1 a y f g 1-y e b c 1-y d s Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Ejemplo: fracción de masa en el estado “c” La fracción de masa del fluido que se extrae en el estado c se obtiene a partir del balance de energía para un sistema abierto, que se aplica al calentador de alimentación de agua. Suponga una mezcla adiabática. m h m m h m h T c c c f yhc 1 y h f hg g 1 y, hc a y f g e hg 1-y b c 1-y d s 1 y, h f Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Ejemplo: balance de entropía para el calentador de alimentación de agua Aplicación del balance de entropía, para un sistema abierto, al calentador de alimentación de agua. sg ysc 1 y s f ys g sc 1 y s g s f y, hc , sc hg , s g Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki 1 y, h f , s f Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Ejemplo: datos que se dan Datos qu e se d an ESTADO T R a 728.7 b c 728.5 d 530 e 530 f 530 g 728.7 Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki P p si 500 500 h BTU/ lbm s x BTU/lbm-R … 1 0 … 0 Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Ejemplo: datos que se calculan Datos qu e se calcu lan (De las tablas) ESTADO T P h R p si BTU/ lbm a 728.7 500 239.1 b 927 500 1204.4 c 728.5 41 1016 d 530 0.361 774 e 530 0.361 38 f 530 41 38.1 g 728.7 41 237.6 Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki s x BTU/lbm-R 0.3940 1.4364 1.4364 1.4364 0.0745 0.0745 0.3940 … 1 0.835 0.698 0 … 0 Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Ejemplo: cantidades del proceso Cantidades del proceso Proceso H BTU/ lbm a-b 965 b-c -188 c-d -242 d -e -736 e-f 0.1 f-g 199.5 c-g -778 g-a 1.5 N eto … Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki m 1 1 0.796 0.796 0.796 0.796 0.204 1 … m h BTU/ lbm 965 -188 -193 -586 0.1 159 -159 1.5 0 W BTU/ lbm 0 188 193 0 -0.1 0 -1.5 379.4 Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Ejemplo: cantidades del proceso Process Quantities Proceso Q BTU/lbm a-b b-c c-d d-e e-f f-g c-g g-a Neto 965.3 0 0 -586 0 0 0 379.3 ds BTU/lbm-R yds BTU/lbm-R 1.0694 0 0 -1.3889 0 0.3195 -1.0694 0 … 1.0694 0 0 -1.1056 0 0.2543 -0.2180 0 0 Q/T BTU/ lbm-R 1.0694 BTU/ lbm-R 0 0 0 0 0 0 0 -1.1056 0 0 0.0363 0 0 -0.0362 0.0363 Obsérvese la producción positiva de entropía en el calentador de alimentación de agua. Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Ejemplo: eficiencia térmica W 379.4 0.393 QH 965 Observe que la regeneración ha incrementado la eficiencia térmica por encima de la del ejemplo anterior, a expensas de algo del trabajo de salida por lbm de vapor. Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Plantas de potencia de vapor comerciales • Recalentamiento (etapas múltiples) • Regeneración (extracciones múltiples) • Adición de calor casi ideal –Calentamiento del agua a temperatura constante Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Plantas de potencia de vapor comerciales • Las características de transferencia de calor del vapor y el agua permiten sistemas de combustión externa • La compresión del líquido condensado produce una razón de trabajo favorable Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Plantas de potencia de vapor comerciales • El ciclo Rankine con recalentamiento y regeneración tiene ventajas para las plantas grandes. • Las plantas pequeñas no tienen economías de escala – Combustión interna para la adición de calor. – Ciclo termodinámico diferente Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Fin del ciclo Rankine con regeneración Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración Términos y conceptos clave Regeneración Recalentamiento con extracción única Calentador de alimentación de agua abierto Calentador de alimentación de agua cerrado Ayudas visuales para el Instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 9. Módulo 3. Transparencia ‹#› El ciclo Rankine con regeneración
