OPTIMIZACIN8 SemestreIng. Industrial

INCREMENTO DE EFICIENCIA EN EL CICLO RANKINE1) INTRODUCCINEl ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinmico que tiene lugar en una central trmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, tpicamente agua (si bien existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgnicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera de alta presin para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecnico en su eje (este eje, unido al de un generador elctrico, es el que generar la electricidad en la central trmica). El vapor de baja presin que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor consensa y cambia al estado lquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeracin procedente del mar, de un ro o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presin del fluido en fase lquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.

2) OBJETIVOSOBJETIVO GENERALMaximizar la eficiencia del ciclo Rankine.OBJETIVOS ESPECFICOS Determinar el mejor mtodo para optimizar el ciclo Rankine. Encontrar la eficiencia de la turbina del ciclo Rankine Introducir el recalentamiento y regeneracin en el ciclo Rankine simple para mejorar el rendimiento trmico.

3) DESARROLLO DEL TEMA3.1 Ciclo RankineEl Ciclo Rankine es el Ciclo Ideal para las centrales elctricas de vapor. Al ser un Ciclo Ideal no incluye ninguna irreversibilidad interna y est compuesto de los siguientes cuatro procesos:1-2 Compresin isentrpica en una bomba2-3 Adicin de calor a presin constante en una caldera3-4 Expansin isentrpica en una turbina4-1 Rechazo de calor a presin constante en un condensador.

Ciclo Rankine Ideal SimpleEl agua entra a la BOMBA en el estado 1 como lquido saturado y se condensa isentrpicamente hasta la presin de operacin de la caldera. La temperatura del agua aumenta un poco durante este proceso de compresin isentrpica debido a una ligera disminucin en el volumen especfico del agua. La distancia vertical entre los estados 1 y 2 en el diagrama T-s se exagera de manera considerable para mayor claridad.El agua entra a la CALDERA como lquido comprimido en el estado 2 y sale como vapor sobrecalentado en el estado 3. La caldera es bsicamente un gran intercambiador de calor donde el calor que se origina en los gases de combustin, reactores nucleares u otras fuentes, se transfiere al agua esencialmente a presin constante. La caldera, junto con la seccin (sobrecalentador) donde se sobrecalienta, recibe el nombre de Generador de Vapor.El vapor sobrecalentado en el estado 3 entra a la TURBINA donde se expande isentrpicamente y produce trabajo al hacer girar el eje conectado a un generador elctrico. La presin y la temperatura del vapor disminuyen durante este proceso hasta los valores en el estado 4, donde el vapor entra al CONDENSADOR, en este estado el vapor es por lo general un vapor hmedo con una alta calidad. El vapor se condensa a una presin constante en el condensador, rechazando el calor hacia un medio de enfriamiento. El vapor sale como lquido saturado y entra a la bomba completando el Ciclo.El rea bajo la curva del proceso: 2-3 en un Diagrama T-s representa la transferencia de calor transferido hacia el agua en la caldera y que el rea bajo la curva del proceso: 4-1 representa el calor rechazado en el condensador. La diferencia entre estas dos representa el trabajo neto producido durante el ciclo.3.2 Anlisis de Energa del Ciclo Rankine Ideal Los cuatro componentes asociados con el ciclo Rankine (la Bomba, la Caldera, la Turbina y el Condensador) son dispositivos de flujo estacionario, por lo tanto los cuatro procesos que conforman el Ciclo Rankine pueden ser analizados como Procesos de Flujo Estacionario. Los cambios en la energa cintica y potencial son pequeos en relacin con los trminos de trabajo y transferencia de calor, de manera que son insignificantes.Entonces la Ecuacin de Energa de Flujo Estacionario por unidad de masa de vapor se reduce a:

La caldera y el condensador no incluyen ningn trabajo y se supone que la bomba y la turbina son isentrpicas, entonces la relacin de conservacin de la energa para cada dispositivo puede expresarse como:

Donde:

La EFICIENCIA TRMICA del Ciclo Rankine se determina a partir de:

Donde:

3.3 Cmo incrementar la eficiencia del Ciclo Rankine?Para incrementar la eficiencia trmica de un ciclo de potencia es necesario incrementar la temperatura promedio a la que el calor se transfiere al fluido de trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio a la que el calor se rechaza del fluido de trabajo en el condensador. Es decir, la temperatura promedio del fluido debe ser lo ms alta posible durante la edicin de calor y lo ms baja posible durante el rechazo de calor. 3.3.1 Reduccin de la presin del condensador (Reduccin de T baja, prom)El agua existe como un vapor hmedo en el condensador a la temperatura de saturacin correspondiente a la presin dentro del condensador. Por consiguiente, la reduccin de la presin de operacin de condensador reduce automticamente.

3.3.2 Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas (incremento de T alta, prom)La temperatura promedio a la que el calor es transferido hacia el vapor puede ser incrementada sin aumentar la presin de la caldera, gracias al sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas.

3.3.3 Incremento de la presin de la caldera (incremento de T alta, prom)Otra manera de incrementar la temperatura promedio durante el proceso de adicin de calor es aumentar la presin de operacin de la caldera, lo cual eleva automticamente la temperatura a la que sucede la ebullicin. Esto a su vez eleva la temperatura promedio a la cual se transfiere calor al vapor y de ese modo incrementa la eficiencia trmica del ciclo.

3.4 El Ciclo Ideal RegenerativoPara remediar la deficiencia que ocurre en el proceso se debe buscar la manera de elevar la temperatura del lquido que sale de la bomba (que recibe el nombre de agua de alimentacin) antes de que entre a la caldera. La regeneracin no slo mejora la eficiencia del ciclo, sino que tambin proporciona un medio conveniente de airear el agua de alimentacin (eliminando el aire que se filtra en el condensador) para evitar la corrosin de la caldera. Tambin ayuda a controlar la gran tasa de flujo volumtrico del vapor en las etapas finales de la turbina (debido a los grandes volmenes especficos a bajas presiones). 3.4.1 Calentadores abiertos de agua de alimentacinUn calentador abierto de agua de alimentacin (o de contacto directo) es bsicamente una cmara de mezclado en la que el vapor extrado de la turbina se mezcla con el agua de alimentacin que sale de la bomba. Idealmente, la mezcla sale del calentador como lquido saturado a la presin del calentador.La eficiencia trmica del ciclo Rankine aumenta como resultado de la regeneracin. Esto se debe a que la regeneracin eleva la temperatura promedio a la que el calor se transfiere al vapor en la caldera aumentando la temperatura del agua antes de que entre a la caldera. La eficiencia del ciclo se incrementa an ms cuando aumenta el nmero de calentadores de agua de alimentacin.

3.4.2 Calentadores cerrados de agua de alimentacinEl calor se transfiere del vapor extrado hacia el agua de alimentacin sin que suceda ninguna mezcla. Los dos flujos pueden estar a presiones diferentes, puesto que no se mezclan. En un calentador cerrado de agua de alimentacin ideal el agua de alimentacin se calienta hasta la temperatura de salida del vapor extrado, que idealmente sale del calentador como lquido saturado a la presin de extraccin.Los calentadores abiertos y cerrados de agua de alimentacin pueden ser comparados de la siguiente manera:Los abiertos son simples y econmicos y tienen buenas caractersticas para la transferencia de calor. Tambin llevan al agua de alimentacin al estado de saturacin. Sin embargo cada calentador requiere una bomba para manejar el agua de alimentacin. Por su parte, los cerrados son ms complejos debido a la red de tuberas internas, de manera que resultan ms caros. La transferencia de calor en los calentadores cerrados de agua de alimentacin es menos efectiva porque no se permite que los dos flujos entren en contacto directo. No obstante, los calentadores cerrados de alimentacin no requieren una bomba independiente para cada calentador, ya que el vapor extrado y el agua de alimentacin pueden estar a presiones diferentes.

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