ING. Electromecánica

Unidad 1: ciclo rankine

Materia:

Máquinas térmicas II

El ciclo Rankine, es el ciclo ideal para las centrales eléctricas de vapor. El ciclo Rankine ideal no incluye ninguna irreversibilidad interna y está compuesto de los siguientes cuatro procesos:

1-2 Compresión isentrópica en una bomba2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera3-4 Expansión isentrópica en una turbina4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador

El agua entra a la bomba en el estado 1 como líquido saturado y se condensa isentrópicamente hasta la presión de operación de la caldera. La temperatura del agua aumenta un poco durante este proceso de compresión isentrópica debido a una ligera disminución en el volumen específico 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 líquido comprimido en el estado 2 y sale como vapor sobrecalentado en el estado 3. La caldera es básicamente un gran intercambiador de calor donde el calor que se origina en los gases de combustión, reactores nucleares u otras fuentes, se transfiere al agua esencialmente a presión constante. La caldera, con la sección (sobrecalentador) donde el vapor se sobrecalienta, recibe el nombre de generador de vapor.

El vapor sobrecalentado en el estado 3 entra a la turbina donde se expande isentrópicamente y produce trabajo al hacer girar el eje conectado a un generador eléctrico. La presión 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 una mezcla saturada de líquido y vapor con una alta calidad. El vapor se condensa a presión constante en el condensador, el cual es básicamente un gran intercambiador de calor que rechaza a éste hacia un medio de enfriamiento como un lago, un río o la atmósfera. El vapor sale del condensador como líquido saturado y entra a la bomba, completando el ciclo. En áreas donde el agua es muy valiosa, las centrales eléctricas son enfriadas con aire en lugar de agua. Este método de enfriamiento, que también se emplea en motores de automóvil, es conocido como enfriamiento seco.

Recuerde que el área bajo la curva del proceso en un diagrama T-s representa la transferencia de calor para procesos internamente reversibles; y observe que el área bajo la curva del proceso 2-3 representa el calor transferido hacia el agua en la caldera y que el área bajo la curva del proceso 4-1 representa el calor rechazado en el condensador. La diferencia entre estas dos (el área encerrada por el ciclo) es el trabajo neto producido durante el ciclo.

Bombas de condensado.

El agua condensada es bombeada con la ayuda de las bombas de condensado a un tanque pulmón de alimentación del tren de generación de vapor llamado tanque de agua alimentación. Las bombas empleadas debe aumentar la presión del agua lo suficiente como para alcanzar el tanque de agua de alimentación, situado a gran altura, y para superar la pérdida de carga que produce atravesar diversos equipos. 

Estas bombas tienen la dificultad de que aspiran el agua con poca presión hidrostática debida a la escasa diferencia

de altura entre el pozo y la bomba, por lo que es necesario diseñar algún sistema que permita crear una pequeña presión hidrostática en la entrada a las bombas suficiente para que la aspiración en ese punto y su consiguiente bajada de presión no provoque la vaporización del fluido (fenómeno perjudicial para las bombas conocido como cavitación). Por ello, las bombas o bien se instalan dentro de fosos que se encuentran a un nivel inferior al del suelo, o bien se utiliza una bomba vertical cuyo rodete va situado en el interior de un tubo enterrado, donde se provoca dicha presión hidrostática

Caldera

Las calderas de vapor son unos aparatos en los que se hace hervir agua para producir vapor. El calor necesario para caldear y vaporizar el agua pude ser suministrado por un hogar, por gases calientes recuperados a la salida de otro aparato industrial (horno, por ejemplo), por el fluido refrigerador de una pila atómica, por irradiación solar o por una corriente eléctrica. Cuando el calor es suministrado por en líquido caliente o por vapor que se condensa, se suelen emplear otras denominaciones, tales como vaporizador y transformador de vapor.

El sinónimo generador de vapor se emplea de preferencia cuando se habla de calderas de una cierta importancia.

Turbina de vapor

Turbina de vapor Recibe el vapor generado en la caldera de recuperación. La turbina de vapor está dividida en etapas. Lo más habitual es que esté dividida en tres cuerpos: turbina de alta presión, turbina de media y turbina de baja. En cada una de ellas se recibe vapor en unas condiciones de presión y temperatura determinadas. Se consigue con esta división un mayor aprovechamiento del vapor generado en caldera y se evitan problemas derivados de la condensación en las últimas etapas de la turbina.

Condensador

Turbinas de Gas Modelo M701F

Un condensador es un intercambiador térmico, en cual se pretende que el fluido que lo recorre cambie a fase líquida desde su fase gaseosa mediante el

intercambio de calor (cesión de calor al exterior, que se pierde sin posibilidad de aprovechamiento) con otro medio. La condensación se puede producir bien utilizando aire mediante el uso de un ventilador (aerocondensadores) o con agua (esta última suele ser en circuito semicerrado con torre de refrigeración, o en circuito abierto proveniente de un río o del mar). El tipo de condensador más empleado en centrales termoeléctricas es el que utiliza agua como fluido refrigerante, que además  utiliza un circuito semiabierto de refrigeración con una torre evaporativa como sumidero del calor latente de vaporización.