Download Tema 11 Ciclos con vapor

Tema 11
Ciclos con vapor
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
Termodinámica
Curso 2006-2007
1. Ciclos de Rankine
• Ciclos con circulación: sistemas abiertos
interconectados, que realizan procesos
estacionarios
• Elementos básicos:
Q
– Fluido que recorre un proceso cíclico
– Foco caliente (aporta Qc)
– Foco frío (absorbe Qf)
Wn
Qf
• Ciclo de Rankine: usa un vapor
Termodinámica
c
Curso 2006-2007
1.1 Rendimientos de máquinas bitermas
• Ciclos con circulación: sistemas
abiertos interconectados, que
realizan procesos estacionarios.
• Ciclos térmicos: objetivo, producir
trabajo
η=
Tf
W
≤ 1−
<1
Qc
Tc
• Ciclos frigoríficos: objetivo, extraer
calor de un Tf < T0
COP =
• Bomba de calor: objetivo,
comunicar calor a un Tc > T0
COP =
Termodinámica
Qf
W
≤
Tf
Tc − Tf
Qc
Tc
≤
W Tc − Tf
Curso 2006-2007
1.2 Fluidos empleados en ciclos de vapor
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)...
Termodinámica
Curso 2006-2007
Fluidos empleados
• 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-clorocarbonos (‘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 =
CXHYFZCl(ajuste)
xy + 90 = XYZ
Termodinámica
Curso 2006-2007
1.3 Ciclo de Rankine simple
• Ciclo ideal teórico entre 2 focos: ciclo de Carnot (máximo
rendimiento posible)
Tf
W
η=
≤ 1−
<1
• Ciclos de potencia: Tf baja, Tc alta
Q
T
c
c
– Tf > T0, el foco frío es normalmente el ambiente.
– Tc < Tmáx, 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)
Q
T
f
• Ciclos frigoríficos: Tc - Tf baja, Tf alta COP =
W
– Tf depende de la aplicación
– Tc > T0, el foco caliente es el ambiente
Termodinámica
≤
f
Tc − Tf
Curso 2006-2007
1.3 Ciclo de Rankine simple
• Ciclo ideal teórico:
T
T
c
difícil
de
realizar
c
cavitación
s
Termodinámica
s
Curso 2006-2007
Ciclo de Rankine
• Ciclo ideal práctico
Caldera
1
Turbina
2
T
Ciclo de potencia
1
4
Condensación
hasta líquido
saturado
4
2
3
s
T
Bomba
3
Condensador
3
2
2
3
Expansión
sin trabajo
(derrame)
Válvula
1
4
Evaporación
hasta vapor
saturado
s
Condensador
Ciclo frigorífico
4
Compresor
1
Evaporador
Termodinámica
Curso 2006-2007
Ciclo real: irreversibilidades
• 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
Termodinámica
Curso 2006-2007
Ireversibilidades en turbina y bomba
4
Rendimientos isoentrópicos:
4s
T
ηs =
Turbina:
3
1
Bomba: η s =
h1 − h2
h1 − h2 s
h4 s − h3
v ΔP
≅ 3
h4 − h3 h4 − h3
4
4s
3
2s 2
s
Termodinámica
Curso 2006-2007
2. Factores que afectan al rendimiento
η=
( s − s ) tan α
wn qc + q f
h −h
h −h
tan α
=
= 1− 2 3 ≅ 1− 2 3 = 1− 2 3
= 1−
( s2 − s3 ) tan β
qc
qc
h1 − h4
h1 − h3
tan β
h
1”
1’
1
2’
3≈4
Termodinámica
β = Tcaldera
2
2”
α = Tcondensador
s
Curso 2006-2007
Temperatura media termodinámica
dh = Tds + vdP
• En general:
• Si P=cte:
2
2
∫ dh = ∫ Tds
dh = Tds ∴
1
∴ h2 − h1 = T ( s2 − s1 )
1
h2 − h1
T =
s2 − s1
• Temp. media
termodinámica:
Termodinámica
Curso 2006-2007
2.1 Aumento de presión 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)
Tc media
1
b
a
4
Termodinámica
1’
3
2
s
4
3
2’
Curso 2006-2007
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
Tc media
1”
Tmax
1
b
a
4
3
2
4
3
2”
s
Termodinámica
Curso 2006-2007
2.3 Reducción de presión en condensador
2
Ts
Tv
Te
3
Termodinámica
• Presión en el condensador:
función de la temperatura
de condensación Tv
Tv = Te + (Ts − Te ) + (Tv − Ts )
• Te: temperatura del agua de
refrigeración
• Ts-Te: calentamiento del
agua de refrigeración
• Tv-Ts: desnivel térmico en el
condensador
Curso 2006-2007
Presión en el condensador
Tv = Te + (Ts − Te ) + (Tv − Ts )
2
Ts
Te: temperatura del agua de
refrigeración
• Cambios estacionales (baja en
invierno, alta en verano)
• Diseño: caso más desfavorable
Tv
Te
3
Termodinámica
Curso 2006-2007
Presión en el condensador
Tv = Te + (Ts − Te ) + (Tv − Ts )
2
Ts
Ts-Te: calentamiento del agua de
refrigeración
• Relacionado con el calor que se
debe retirar en el condensador:
Qf =mcp(Ts-Te) = Qc(1−η) = Wn(1/η −1)
• m depende de la disponibilidad de
Tv
agua (costa o interior):
Te
3
Termodinámica
– Límite ecológico (3 °C)
– Torres de enfriamiento + piscina de
reserva
Para Wn=200 MW, η=0,34, Ts-Te=3 °C:
Qf = 340 MW, m = 31000 kg/s = 31 m3/s !!!
Curso 2006-2007
Presión en el condensador
Tv = Te + (Ts − Te ) + (Tv − Ts )
2
Ts
Tv-Ts: desnivel térmico en el
condensador
• Depende del diseño (puede llegar
hasta 1 °C); suele ser ~7 °C
T2
Tv
T
Te
Tv
Ts
T3
Te
3
Q
Termodinámica
Curso 2006-2007
Presión 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
(Ec 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
T.A.
Termodinámica
T.B.
T.B.
~
Curso 2006-2007
3. Modificaciones para mejorar el rendto.
3.1 Ciclos con recalentamiento
3.2 Ciclos regenerativos
a) Regeneradores abiertos
b) Calentadores cerrados
c) Calentadores múltiples
3.3 Cogeneración
Termodinámica
Curso 2006-2007
3.1 Ciclos con recalentamiento
• 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
Termodinámica
Curso 2006-2007
Ciclos con recalentamiento
3
1
T
3
2
TA
TB
1
2
4
4
6
5
6
s
5
Termodinámica
Curso 2006-2007
Ciclos con recalentamiento
• Elección de la presión intermedia:
– Temperatura media termodinámica: recalentador
> caldera
⎛ Δh ⎞
⎛ Δh ⎞
⎜ ⎟ >⎜ ⎟
⎝ Δs ⎠ 23 ⎝ Δs ⎠ 61
• Aumentan Qc y W: no necesariamente aumenta
η
• Temperatura final de la expansión intermedia
(2): cerca de la línea de saturación
Termodinámica
Curso 2006-2007
Aumento de temperatura media
Tc media
2
c
b
a
Pmax
Pint
2
Tmax
2
1
4
1
3
4
3
1
Pcond
4
3
s
(a) Ciclo ideal simple
de Rankine
(b) Ciclo ideal con
sobrecalentamiento
(c) Ciclo ideal con
sobrecalentamiento y
recalentamiento
Termodinámica
Curso 2006-2007
3.2 Ciclos regenerativos
• 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
Termodinámica
Curso 2006-2007
a) Regeneradores abiertos
• Calentadores de contacto directo (de mezcla): el
agua del condensador se calienta con una purga
de la turbina (extracción o sangría)
TA
1
(1)
TB
2
(m)
1
T
(1-m) 3
2
7
6
5
5
4
7
6
4
Termodinámica
3
s
Curso 2006-2007
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:
h −h
0 = mh2 + (1 − m)h5 − h6 ∴ m = 6 5
h2 − h5
• 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
Termodinámica
Curso 2006-2007
Regeneradores abiertos
• Ventajas:
– Sencillez: bajo precio
– Mejora el rendimiento
• Inconvenientes
– Dos bombas
– Dificultad de mezcla: burbujeo de vapor en
líquido
Termodinámica
Curso 2006-2007
b) Calentadores cerrados
• 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
Vapor de extracción
Agua de
alimentación
Agua de
alimentación
Hacia la
línea de alta
presión
Condensado
Bomba
Termodinámica
Condensado
Válvula de
estrangulación
Hacia el calentador de baja
presión o el
condensador
Curso 2006-2007
Calentadores cerrados
TA
1
(1)
TB
2
(m)
1
T
(1-m) 3
2
7
6
5
6
(1)
5
7
(m)
4
8
3
4
s
8
Termodinámica
Curso 2006-2007
Calentadores cerrados
• Diseño: salida del calentador (6) es líquido
subenfriado T6<T7; aguas de condensado (7):
líquido saturado o ligeramente subenfriado
– Balance entálpico en el calentador:
h −h
0 = m(h2 − h7 ) + (h5 − h6 ) ∴ m = 6 5
h2 − h7
Termodinámica
Curso 2006-2007
Calentadores cerrados
• Ventajas:
– Diferentes presiones en purgas y agua de
alimentación
– Mejora el rendimiento
– Facilidad de intercambio de calor
• Inconvenientes
– Equipo más caro
Termodinámica
Curso 2006-2007
c) Calentadores múltiples
•
•
•
•
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
Termodinámica
Curso 2006-2007
Ejemplo: Central con recalentamiento y
calentadores múltiples (1 abierto, 4 cerr.)
1
4
9
5
2
17
3
16
18
19
6
15
20
14
21
7
13
8
12
22
23
Termodinámica
11
10
25
24
Curso 2006-2007
Calentadores múltiples
Termodinámica
Curso 2006-2007