CICLOS DE POTENCIAUn ciclo de potencia es una configuracin de dispositivos que tienen por objeto transformar energa en forma de calor en trabajo mecnico, manifestado en la rotacin de un eje La sustancia que evoluciona en el ciclo puede ser un gas (con comportamiento ideal en una primera aproximacin), o una sustancia pura (usualmente agua)

EL CICLO IDEAL DE POTENCIA CON VAPOREs un ciclo termodinmico basado en el ciclo de carnot, concebido por W. J. Rankine, que utiliza agua como fluido de trabajo, en un proceso que consta de 4 etapas:1 2 Compresin isentrpica del agua en una bomba hidrulica 2 3 4 3 Adicin de calor en una caldera hasta vaporizar el agua 4 Expansin isentrpica del vapor en una turbina 1 Condenzacin del vapor en un intercambiador de calor

REPRESENTACIN ESQUEMTICA

REPRESENTACIN TERMODINMICA

ANLISIS TERMODINMICOEl anlisis se reduce a garantizar la conservacin de la masa y de la energa en el ciclo completo (incluidos cada uno de sus dispositivos) Al ser equipos de flujo abierto, las expresiones resultantes son: Para la Bomba

ANLISIS TERMODINMICOPara la caldera

Para la Turbina de vapor

Para el condensador

PARMETROS CARACTERSTICOSTpicamente los ciclos de potencia se caracterizan con los siguientes parmetros: Trabajo neto Eficiencia trmica

EJEMPLOUna planta de generacin elctrica que opera con base en un ciclo ideal de Rankine tiene una presin de condensacin de 15 kPa y una presin en la caldera de 5 MPa. Si la temperatura del vapor que entra a la turbina es de 758C, calcule: a) El flujo msico de vapor necesario para producir 7.5 MW b) Las condiciones de presin y temperatura a la salida de la turbina c) La eficiencia trmica del ciclo

EL CICLO DE RANKINE REAL

En la realidad cada uno de los procesos presenta cierto tipo de irreversibilidades que ocasionan un desviamiento con respecto al caso ideal, y que puede ser cuantificado mediante las eficiencias isentrpicas de los dispositivos y por medio de la teora de fluidos de prdidas de carga en tuberas.

DIAGRAMA TERMODINMICO DEL CICLO DE RANKINE REAL

EJEMPLO 2Recalcule el ciclo del ejemplo anterior sabiendo que la eficiencia isentrpica de la bomba es de 75%, la de la turbina de 83% y adems que la presin de condensacin se reduce a 10 kPa: a) El flujo msico de vapor necesario para producir 7.5 MW b) Las condiciones de presin y temperatura a la salida de la turbina c) La eficiencia trmica del ciclo d) La eficiencia trmica de un ciclo de Carnot que opera entre las mismas dos temperaturas

OPTIMIZACIN DEL CICLO DE RANKINEExisten varias formas de mejorar el desempeo termodinmico de un ciclo de Rankine. Disminucin de la presin de condenzacin Sobrecalentando el vapor antes de la expansin Aumentando la presin en la caldera

EL CICLO IDEAL DE RANKINE CON SOBRECALENTAMIENTO

EJEMPLO 3Resuelva nuevamene el ciclo del ejemplo 1 pero teniendo en cuenta que se efecta un sobrecalentamiento del vapor que sale de la turbina de alta presin, el cual se expande hasta 1 Mpa para luego pasar nuevamente a la caldera. a)El flujo msico de vapor necesario para producir 7.5 MW b)Las condiciones de presin y temperatura a la salida de la turbina c)La eficiencia trmica del ciclo d)La eficiencia trmica de un ciclo de carnot que opera entre las mismas dos temperaturas

EL CICLO IDEAL DE RANKINE REGENERATIVO

CON CALENTADORES ABIERTOS

ANLISIS TERMODINMICO

EJEMPLO 4Una planta de potencia funciona con base en el ciclo ideal de Rankine regenerativo. El vapor entra a la mturbina a 6 Mpa y 450C mientras que la condensacin ocurre a 20 kPA. La extraccin del vapor hacia el calentador abierto de agua de alimentacin ocurre a 400 kPa, y sale de este como lquido saturado. Calcule a) la salida de potencia neta del ciclo b) la eficiencia trmica del ciclo Nota: el flujo msico de vapor es de 20 kg/s

EL CICLO IDEAL DE RANKINE REGENERATIVO

CON CALENTADORES CERRADOS

EJEMPLO 5Analice el ejemplo anterior con las siguientes modificaciones: se incluyen un recalentador, un calentador de agua abierto y un calentador de agua cerrado. La primera extraccin de la turbina de alta presin se realiza a 2 MPa y se conduce al calentador cerrado donde se vuelve liquido saturado, el resto del vapor se recalienta hasta 450C y se enva a la turbina de baja presin donde se extrae otra fraccin de vapor a 500 kPa y el resto se enfra en el condensador. Calcule: a) la salida de potencia neta del ciclo b) la eficiencia trmica del ciclo c) Las fracciones de vapor que se extraen

ANLISIS DE SEGUNDA LEY DEL CICLO DE RANKINE IDEALEn vista de que el ciclo de Rankine ideal (en cualquiera de sus versiones) involucra irreversibilidades externas, como la transferencia de calor por diferencia finita de temperaturas, se hace necesario un anlisis de segunda ley para determinar los puntos donde ocurren las mayores prdidas energticas

ANLISIS DE SEGUNDA LEY DEL CICLO DE RANKINE IDEALPara dispositivos de flujo estacionario, se tiene que:

Para el caso de un ciclo en el que la transferencia de calor ocurre con un sumidero a cierta temperatura:

Mientras que la exerga est dada por: