tema9 ciclos vapor

Ciclos de Vapor Gabriel López (Universidad de Huelva)

TEMA 9: Ciclos de Vapor

1. El ciclo de vapor de Carnot.

2. El ciclo de Rankine simple.

3. Factores que afectan al rendimiento de un ciclo de Rankine.

4. Ciclo de Rankine con recalentamiento intermedio.

5. Ciclo de Rankine con regeneración.

6. Ciclos Combinados.

7. Cogeneración.

8. Ciclos binarios.

1


1.- EL CICLO DE VAPOR DE CARNOT

2

Diagramas T-s de dos ciclos de vapor de Carnot.

Ciclo ideal teórico de máximo rendimiento entre dos focos: ciclo de Carnot.

Tf ≥ T0 el foco frío suele ser el ambienteTc≤ Tmáx, máxima T que soportan los materiales

• Aceros al C: 300 ºC• Aceros ferríticos: 540 ºC• Aceros inoxidables austeníticos: 650 ºC o más (más caros)

11 <−≤=c

f

in

neto

TT

qw

η

Difícil de realizarCavitación


2.- EL CICLO SIMPLE IDEAL DE RANKINE

3

Las centrales térmicas de vapor se modelan según el ciclo de Rankine.

Fluido: Agua (tratada químicamente: desalinización, degasificación O2 disuelto, eliminación microorganismos, …)

Se bombea agua líquida a la caldera a alta presión donde se transforma en vapor a elevada temperatura.El vapor se expande en una turbina produciendo trabajo. El ciclo se completa extrayendo calor al vapor saliente y convirtiéndolo nuevamente en agua líquida.

Zona de alta presión (Cte)

Zona de baja presión (Cte)

pcaldera = cte

pcondensador = cte

Ciclos de Vapor Gabriel López (Universidad de Huelva) 4

Análisis de la Energía:

Bomba: q = 0wB = h2s – h1 = v1(p2 – p1) > 0

Caldera: qin = h3 – h2 > 0 w = 0

Turbina: q = 0wT = h4 – h3 < 0

Condensador: qout = h1 – h4 < 0

2.- EL CICLO SIMPLE IDEAL DE RANKINE

O Exigimos siempre que lo que entra a la bomba sea líquido saturado.

12

12

hhhh

ww

r

s

r

sB −

−==η

34

34

hhhh

ww

s

r

s

rT −

−==η

in

out

in

BT

in

neto

qq

qww

qw

−=−

== 1η

Irreversibilidades

i = T0σ = T0(s2r – s1) ≅ T0[sf(T2) – s1]

Irr.Interna: pérdida presiónIrr. Externa: diferencia T con el hogar

i = T0σ = T0(s4r – s3)

−

==

0

1T

TQ

WExEx

calderain

neto

aportada

obtenida

&

&ε


3.- MEJORAS DEL RENDIMIENTO DE UN CICLO SIMPLE DE RANKINE.

Aumento pcaldera:

• Limitaciones:- Aumenta la humedad del vapor de salida de la turbina.- Aumento del espesor del tubo → precio, seguridad, peor trnasmisión del calor.

• Valores Típicos:- Centrales térmicas convencionales: 16 MPa.- Centrales supercríticas (evaporación sin burbujeo): > 22 MPa (presión crítica)

Sobrecalentamiento del vapor a mayores temperaturas:

• Aumenta la temperatura media a la que se absorbe el calor.

• Evita la humedad del vapor a la salida de la turbina.

• Límite: resistencia térmica del material.

Disminución de la pcondensador :

• pcondensador es una función de la temperatura del agua de refrigeración.

• Valores típicos: 30 ºC (4,2 kPa) – 45 ºC (10 kPa)

• Consecuencias prácticas:

- El condensador opera en vacío (p0 ~ 100 kPa): entra aire por fugas.

- El vapor a la salida de la turbina tiene un elevado volumen y humedad.


4.- CICLO DE RANKINE CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO.

OAunque se aumenta el trabajo neto producido, también se aumenta el aporte de calor de entrada.

OLa temperatura media a la que se aporta calor es mayor.

El rendimiento no aumenta necesariamente .

Respecto al ciclo ideal de Rankine, se modifica:

• Calor de entrada (caldera): qin = (h3 – h2) + (h5 – h4)

• Trabajo de la turbina: wT = wT-AP + wT-BP = (h4 – h3) + (h6 – h5)

Objetivo:Reducir la humedad a la salida de la turbina.

6r

4r

s

s


5.- CICLO DE RANKINE CON REGENERACIÓN.

Objetivo: Reducir el calor de entrada (aumenta rendimiento).

1. Regeneradores abiertos2. Regeneradores cerrados3. Calentadores múltiples

1 – y

y

-El agua del condensador se caliente con una purga (extracción, sangría) de la turbina.

-Exigimos siempre que lo que entra a las bombas sea líquido saturado (x1 =0 y x3 = 0).

Balance masa en la turbina:m5 = m6 + m7 ⇒ 1 = y + (1 – y) donde y = m6/m5 fracción de masa extraída.

Balance energía en el calentador:0 = (m6h6 – m2h7) – m3h3 ⇒ 0 = yh6 – (1-y)h7 – h3 ⇒

→ Precalentar el agua de entrada a la caldera

53

56

hhhh

y−−

=


5.- CICLO DE RANKINE CON REGENERACIÓN. Regeneradores cerrados

• Intercambiadores de calor tipo carcasa y tubos.

• El vapor extraído condensa en el exterior de los tubos y el agua de alimentación a la caldera se precalienta.

• Dos posibles diseños:

8

Líquido a T igual a la del condensado

72

56

hhhh

y−−

=

(y)

(1-y)

y

(y)

(1-y)


5.- CICLO DE RANKINE CON REGENERACIÓN.


6.- CICLO COMBINADO.


6.- COGENERACIÓN.

11

Combustible1000

636

364

517

273

210

Calor para laindustria

Electricidad parala industria

Planta Potencia

Caldera propiedadde la industria

PÉRDIDAS

SISTEMA CONVENCIONAL(Electricidad de la Cía. Eléctrica yproducción de calor en la propia industria)

Combustible690

690210

273

270

Calor para laindustria

Electricidad parala industria

Equipo de cogeneraciónpropiedad de la industria

SISTEMA COGENERACIÓN(Producción de electricidad y calor enla propia industria)

Eficiencia global = 70.0 %Ahorro Energía Primaria = 31 %

Eficiencia global = 48.3 %

( )fuel

liquidovaporvapor

fuelcaldera PCI m

hhm

QQabsorbido

&

&&

& −==η

fuele Q

We&&

=η

fuel

procesot Q

Q&

&=η

teQQW

ηηη +=+

=c

procesoeg &

&&

e

u

WQ

RCE =

conc

cogc

conc

QQQ

IAE−

=


6.- COGENERACIÓN.

(a) Turbina de vapor

Combustible

Proceso

Energía Eléctrica

EnergíaTérmica

Aire

Recuperadorde calor

Generaciónde vapor

Combustible

Proceso

EnergíaEléctrica

EnergíaTérmica

(b) Turbina de gas

ProcesoCombustible

Generador de vaporcon recuperaciónde calorEnergía

Térmica

Combustibleadicional

EnergíaEléctrica

Sistema de cabecera

Sistema de cola

(c) Turbina de vapor

Tipos de sistemas de cogeneración:


6.- COGENERACIÓN.

Tipos de sistemas de cogeneración según el dispositivo de potencia:

(a) Turbina de vapor

Combustible

EnergíaEléctrica

EnergíaTérmica

Aire

Recuperadorde calor

Generaciónde vapor

Combustible EnergíaEléctrica

EnergíaTérmica

(b) Turbina de gas

EnergíaTérmica

Combustible

EnergíaEléctrica

(c) Ciclo combinado

Combustible

EnergíaEléctrica

EnergíaTérmica

Aire

Recuperadorde calor

Recuperadorde calor

EnergíaEléctrica

(c) Motor Alternativo

- Contrapresión

-Condensación

(RCE 1- 4)

-Combustión Interna

-Combus. Externa

-RCE > 2

RCE > 6

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6.- COGENERACIÓN.

* 1 – 50 MW, ηe = 20 – 40 %* Producción continua de electricidad.* El calor de proceso se regula mediante un by-pass y una caldera de recuperación con post-combustión.

• Optimización del ciclo simple de gas.• La venta de electricidad puede compensar la inversión de la turbina de vapor.• Aumento de los rendimientos térmicos y eléctricos.• Alta flexibilidad.

• En procesos de secado, los gases de combustión pueden ser usados.• Si se requiere mayor demanda se incorpora post-combustión.• Si se requiere menor calor, se introduce aire atmosférico y se desecha el calor residual.


6.- COGENERACIÓN.

15


9.- CICLO BINARIO.

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