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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