Cic"o Ran1ine Idea" de "a Cen!ra" Termoe"#c!rica 2A"!o C$icama3 Introducción E" desarro""o de es!e )roec!o es!á &asado en-ocado a "as necesidades de consumo e"#c!rico 4ue cada d5a es!á en aumen!o6 resu"!a de +ran im)or!ancia en In+enier5a es!udiar )rocesos de )roducci7n de ener+5a a 4ue es!a ciencia de es!udio &usca me8orar "a ca"idad de *ida9 Noso!ros es!udian!es de In+enier5a Mecánica desarro""aremos e" dise.o de "os e"emen!os 4ue in!er*ienen en es!e )roceso de )roducci7n de ener+5a en!re "os cua"es resa"!amos "os cua!ro com)onen!es:
Ca"dera6 so&reca"en!ador6 Economi(ador om&a%s' Tur&inas Ca"en!adores de A+ua de A"imen!aci7n %CAA' Condensador Torre de Re-ri+eraci7n C$imenea6 desu"-urador c$imenea9
De "os cua"es $aremos su es!udio6 menci7n a)or!e a" cic"o de )o!encia9 Duran!e e" desarro""o e;)ondremos de!a""es de c7mo in
FIGURA >?
O&8e!i*o Es)ec5=co: Ana"i(ar "os dis)osi!i*os !#rmicos 4ue in!er*ienen en e" desarro""o de" aná"isis de" cic"o6 considerando "as ecuaciones &ásicas de conser*aci7n de masa ener+5a9 Ca"cu"ar "a )o!encia ne!a de" cic"o )ara )aráme!ros de )resi7n !em)era!ura de -uncionamien!o es!a&"ecidos9 Com)arar "a e=ciencia !#rmica de un cic"o idea" con "as de un cic"o rea"9 Com)ro&ar si "as condiciones de !ra&a8o )ara "a cen!ra" !#rmica son ren!a&"es9
Marco teórico Centrales Termoeléctricas:
Cen!ra"es de )roducci7n de ener+5a &asados en e" uso de "a ener+5a !#rmica %en!a")ia' de un
Planta Térmica de Combustible Fósil
Planta Térmica Nuclear
Planta Térmica de Energía Solar
Planta Térmica !eotérmica
El ciclo Rankine:
Es e" cic"o idea" )ara "as cen!ra"es e"#c!ricas de *a)or9 E" cic"o Ran1ine idea" sim)"e no inc"ue nin+una irre*ersi&i"idad in!erna es!á com)ues!o de "os si+uien!es cua!ro )rocesos:
Com)resi7n isen!r7)ica en una &om&a Adici7n de ca"or a )resi7n cons!an!e en una ca"dera E;)ansi7n isen!r7)ica en una !ur&ina Rec$a(o de ca"or a )resi7n cons!an!e en un condensador
Para aumen!ar "a e=ciencia !am&i#n se em)"ea e" )roceso de reca"en!amien!o6 "ue+o e" cic"o me8ora en cuan!o a su e=ciencia !#rmica9
Ciclo "an#ine Sim$le
Ciclo con "ecalentamiento
Cic"os de Po!encia su)ercr5!icos: Las )resiones de o)eraci7n de "as ca" de ras se $an incremen!a do en -orma +radua" a "o "ar+o de "os a.os des de 9B MPa %>> )sia' en ?6 $as!a más de > MPa % >> )sia' en "a ac!ua"idad6 +enerando e" su = cien !e *a )or )ara )roducir una sa"ida ne!a de )o!encia de ? >>> M o más en una cen!ra" e"#c!rica +rande de *a)or9 Ac!ua"men!e mu c$as de es !as modernas cen!ra"es o)eran a )resiones su)ercr5!icas %P H 9> MPa' !ienen e=ciencias !#rmicas de > )or cien!o en e" caso de cen!ra"es 4ue -uncionan con com&us!i&"es9 En Es!a dos Unidos o)eran más de ?> cen!ra "es e"#c!ricas de *a)or de )resi7n su)ercr5!ica9
Ciclo de Su$ercrítico
Cic"os Re+enera!i*os Des)u#s de !odo "o an!erior6 e" cic"o Ran1in usados en cen!ra"es !#rmicas rea"es se )uede me8orar usando ca"en!adores de a+ua de a"imen!aci7n %CAA'6 a4u5 mos!ramos "os dos !i)os de ca"en!adores de a+ua A&ier!o cerrado9
Dispositivos Usados en Centrales Térmicas: Ciclo "egenerativo
Muc$os sis!emas de ener+5a como "as cen!ra"es e"#c!ricas o)eran en condiciones es!acionarias6 es!o nos -aci"i!a )ara ana"i(ar "as !ur&inas6 condensadores6 ca"en!adores de a+ua6 "a ca"dera "os demás com)onen!es de" cic"o como Vo"@menes de con!ro" cuo aná"isis a "o $emos a)rendido en e" curso an!erior de Termodinámica I9 TURINA: Es e" dis)osi!i*o 4ue im)u"sa a" +enerador e"#c!rico6 es!e es!á com)ues!o )or cien!os de a"a&es 4ue a" ser im)u"sado )or e" *a)or cam&ian su can!idad de mo*imien!o a" es!ar unidos a" e8e6 en!onces $a una sa"ida de *e"ocidad an+u"ar6 "ue+o "a *e"ocidad de sa"ida es con*er!ida a ener+5a e"#c!rica )or inducci7n ma+n#!ica9
Turbina de alta $resión % media $resión
Turbina de baja $resión
CALDERA: Es una má4uina o dis)osi!i*o de in+enier5a dise.ado )ara +enerar *a)or9 Es!e *a)or se +enera a !ra*#s de una !rans-erencia de ca"or a )resi7n cons!an!e6 en "a cua" e"
CON&ENS'&O"( Es un cam&iador de ca"or "a!en!e 4ue con*ier!e e" *a)or %en es!ado +aseoso' en *a)or en es!ado "54uido6 !am&i#n conocido como -ase de !ransici7n9 E" )ro)7si!o es condensar "a sa"ida %o e;!rac!or' de *a)or de "a !ur&ina de *a)or )ara as5 o&!ener má;ima e=ciencia e i+ua"men!e o&!ener e" *a)or condensado en -orma de a+ua )ura de re+reso a "a ca"dera9
Es!os ca"en!adores de a+ua de a"imen!aci7n se )ueden considerar como C+maras de Me,clado )or4ue "as corrien!es de
Ca"en!ador cerrado%CCA'
En es!e !i)o de ca"en!adores "os
-OM-'( Es una má4uina +eneradora 4ue !rans-orma "a ener+5a %+enera"men!e ener+5a mecánica' con "a 4ue es accionada en ener+5a de"
./).*)'S &E EST"'N!*)'MIENTO( Las *á"*u"as de es!ran+u"amien!o son dis)osi!i*os de di-eren!es !i)os 4ue res!rin+en e"
Componentes Adicionales: Economizador:
Es un dis)osi!i*o mecánico de !rans-erencia de ca"or 4ue ca"ien!a un
Sobrecalentador o supercalentador:
Es un dis)osi!i*o 4ue se encuen!ra en un mo!or a *a)or 4ue ca"ien!a e" *a)or +enerado )or "a ca"dera nue*amen!e6 incremen!ando su ener+5a !#rmica $aciendo decrecer "a )osi&i"idad de condensaci7n den!ro de" mo!or9 Los su)erca"en!adores incremen!an "a e=ciencia de" mo!or de *a)or $an sido am)"iamen!e ado)!ados ac!ua"men!e9 E" *a)or 4ue $a sido su)erca"en!ado es conocido "7+icamen!e como *a)or su)erca"en!ado9 P"an!a desu"-uraci7n: Encar+ada de !ra!ar !odos "os residuos causado )or e" )roceso de com&us!i7n )oner"os de "a me8or manera a una nue*a dis)osici7n a "a $umanidad sin 4ue resu"!e )er8udicia"9
JE" cic"o idea" )ara nues!ro )roec!o inc"ue com)onen!es secundarios 4ue son de im)or!ancia )or4ue aumen!an "a e=ciencia de" cic"o:
ALTO CHICAMA (Tr!illo"
KPor 4u# crear una cen!ra" !#rmica en A"!o C$icama La res)ues!a más -ac!i&"e )ara es!o es "as carac!er5s!icas +eo"7+icas 4ue se )resen!an !a"es como "a +randes can!idades ca"idades de de" car&7n e;!ra5do de -orma ar!esana" de es!e "u+ar9 E" es!udio de "a mina de car&7n e*a"@a e" "e*an!amien!o +eo"7+ico de "a (ona car&onera de" A"!o C$icama6 )ro*incia de O!u(co6 de)ar!amen!o de La Li&er!ad %?> m'6 ana"i(ando además e" )o!encia" car&onero de "a re+i7n9 Las rocas más an!i+uas de "a re+i7n )er!enecen a "a Formaci7n C$icama de" /urásico su)erior9 So&re es!as ca)as acen6 concordan!emen!e6 sedimen!os cre!áceos 4ue corres)onden a "a Formaci7n C$im@6 )or!adora de "os man!os de car&7n6 "as Formaciones
indi*isas San!aCar$ua(6 La Formaci7n Farra! "as Formaciones Inca C$u""ecParia!am&o9 Las rocas sedimen!arias se.a"adas $an su-rido un dias!ro=smo in!enso de&ido a "os mo*imien!os !ec!7nicos ocurridos en "a Cordi""era de "os Andes6 a "os e-ec!os )roducidos )or e" em)"a(amien!o de" a!o"i!o Andino9 E" car&7n de" área es de !i)o an!rac5!ico6 es!imándose reser*as )osi&"es de B?> >>> TM de car&7n9 Los man!os reconocidos son de na!ura"e(a re!icu"ar9 Tam&i#n se ana"i(a e" im)ac!o de" !ec!onismo "as in!rusiones en "a (ona car&onera9 La ca"idad de es!e car&7n es!á en!re "os me8ores de" )a5s con un )orcen!a8e de car&7n )uro en e" )roceso de e;!racci7n de > a Q9
Tam&i#n $acemos menci7n 4ue se usar5a "as a+uas de" Rio C$icama )ara usar en "a Torre de Re-ri+eraci7n de "a cen!ra" T#rmica6 a e;)ensas de "a ca"idad de a+ua es!a se )uede !ra!r )ara dar"e condiciones 7)!imas de !ra&a8o9 Resa"!aremos 4ue es!e )roec!o de Cen!ra" T#rmica es!a&a en )roceso de -ormu"aci7n )ero se )ar7 )or mo!i*os )o"5!icos de im)or!ancia su)er
&esarrollo del tema Consideraciones )re*ias: La !em)era!ura má;ima 4ue )uede ad4uirir e" *a)or so&reca"en!ado es!á norma"men!e "imi!ada )or "os ma!eria"es em)"eados en "a (ona de so&reca"en!amien!o de "a ca"dera9 Ac!ua"men!e "a !em)era!ura má;ima es de" orden de "os >C9 La )resi7n má;ima es de" orden de "os > &ar es!á "imi!ada )or )ro&"emas de dise.o mecánico de "a !ur&ina )or "a $umedad admisi&"e a "a sa"ida de "a misma %?>Q'9 La )resi7n m5nima es -unci7n de "a !em)era!ura de" condensador su ma+ni!ud sue"e es!ar si!uada en e" in!er*a"o de >6> &ar a >6? &ar6 "o 4ue corres)onde a una !em)era!ura de" condensador de C C res)ec!i*amen!e9 La !em)era!ura a "a 4ue se ca"ien!a en e" ca"dero es "a má;ima con "as cua" se !ra&a8a ac!ua"men!e: T caldera, salida =550 ° C , Pmax =25 Mpa
En e" condensador "a )resi7n usamos como "a m5nima admisi&"e ac!ua"men!e )ara aumen!ar "a e=ciencia:
¿ 3 Kpa=0.003 Mpa Pmax =0.03 ¯ Las !ur&inas de media &a8a )resi7n o)eran )or de&a8o de "a )resi7n de "a )rimera !ur&ina6 "ue+o "os )rocesos de reca"en!amien!o !ienen 4ue ser !a"4ue sea in-erior a "a )rimera
e;)ansi7n6 considerando e" ?er do reca"en!amien!o a: P1 errecalentamiento =15 Mpa ,T recalentamiento = 450 ° c P2 do recalentamiento=8 Mpa, T recalentamiento=400 ° c
Tomaremos como *aria&"es "as )resiones consideraremos 4ue "os ca"en!adores de a+ua de a"imen!aci7n !ra&a8an a )ar!ir de una e;)ansi7n isen!ro)ica de cada !ur&ina )ero 4ue es!#n en e" ran+o de o)eraci7n accesi&"e )or "os dis)osi!i*os de" cic"o9 Teniendo en cuen!a 4ue "os
?ro: CAA %Cerrado': do: CAA %Cerrado': er: CAA %A&ier!o': do: CAA %Cerrado':
15 Mpa
< Pcaptacionde vapor= Pc < 25 Mpa
8 Mpa
< Pcaptacion de vapor = Pc < 15 Mpa
1
2
3 Mpa≤ P captacionde vapor 0.003 Mpa
= Pc < 8 Mpa 3
< Pcaptacion de vapor = Pc < 3 Mpa 4
Podemos *er 4ue e;is!e un ran+o de )resiones de o)eraci7n en e" es!ado de en!rada a "os ca"en!adores de a+ua de a"imen!aci7n6 en es!a *ir!ud *eremos con cuá" de es!as )resiones en es!ado de *a)or so&reca"en!ado es 4ue se a"can(a una maor e=ciencia !#rmica9
Mostramos las #r$%cas &e mestran los estados del vapor drante el ciclo Rankine' P5= P6 = P 7= P8=25 Mpa; T 8=550 ° c
15 Mpa < P17= P16 < 25 Mpa
P9= P10=15 Mpa ; T 10= 450 ° c 8 Mpa < P17= P16 < 15 Mpa
P 11= P12= 8 Mpa ; T 12=400 ° c
0.003 Mpa
< P = P = P = P < 8 Mpa 2
4
19
18
0.003 Mpa < P4 = P19= P18 < P4
P1= P22= P13=0.003 Mpa; T 8=25 ° c
JCá"cu"o de "as en!a")ias en cada es!ado de" cic"o Ran1ine: Des)reciaremos "as irre*ersi&i"idades: Estado : (Li&ido satrado" 3
P1=0.003 Mpa =3 Kpa; h1= 100.98 kj / kg;v 1= 0.001003 m / kg Estado ): 3
h2= 100.98 kj / kg +( P 2−3 Kpa) 0.001003 m / kg…. ( A )
Estado *: (+apor so,recalentado" P8=25 Mpa; T 8=550 °c;lego−! h8=3339.2 kj / k g ; " 8=6.1816 kj / k g . K
Estado -: (+apor so,recalentado" " 9=6.1816 kj / kg. K ; P8 =15 Mpa; #ego : h 9=3186.4473 kj / kg
Estado .: (+apor so,recalentado" P10=15 Mpa; T 10= 450 ° c #ego−! h10= 3157.9 kj / kg;" 10= 6.1434 kj / kg.K
Estado : (+apor so,recalentado" " 11= 6.1434 kj / kg. K ;P 11=8 Mpa; #ego : h 11=2995.4167 kj / kg
Estado ): (+apor so,recalentado" P12=8 Mpa ; T 12= 400 °c #ego −! h12= 3139.4 kj / kg;" 12=6.3658 kj / k g . K
Estado /: (Me0cla satrada" " 13=6.1434 kj / kg. K ; P13=3 Kpa; #ego x 13=
" 13−" $ , 13 "$g , 13
=0.7041
h13=h $ , 13+ x 13 h$g , 13=1821.73 kj / kg
Para determinar las entalpias de los estados restantes hallaremos las fracciones másicas extraídas en cada CAA y desarrollaremos las eciencias para cada rango de presiones establecidas anteriormente en la página !! "Calentador # $CAA Cerrado%: % & h 15+ h7=h 6+ % & h 14 … … ( ' )
