UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁ FACULTAD DE INGENERÍA ELÉCTRICA LIC. EN INGENIERIA ELECTROMECÁNICA PROYECTO DE TERMODINÁMICA I
Tema: “Eficiencia “Eficiencia a través de las pérdidas de energía: Ciclo Combinado ”
Presentado a consideración: Profesor: Ing. Jimmy Chang
Integrantes: 1. Abercio, Checa
8-869-942
2. Jaramillo, Adrián 3. Gonzáles David
8-897-1391 4-768-675
Grupo: 1II-131
Fecha de entrega: Martes, 28 de junio de 2016
Tabla de contenidos Introducción.................................................... Introducción .......................................................................................................... .......................................................................... .................... 1 Objetivos Generales .................................................. ....................................................................................................... ................................................................. ............ 1 Objetivos Específicos ................................................................................................................. 1 .......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ..............1 Segunda Ley de la Termodinámica ........................... Enunciados clásicos Entropía
............................ .......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ..................... .......2
.......................... ......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... .....4
Principio del aumento de entropía
........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. .......................... ...........2
Características asociadas a la entropía La entropía y la energía "gastada" ¿Para qué sirve la entropía?
............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ................. .. 2
........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. .......................... ...........2
.......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ....................... .........2
Procesos para evitar el aumento de entropía. Desigualdad de Clausius. Proceso reversible Proceso irreversible
............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................. ...4
............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................ ..........2 ............................ .......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ..................... .......2
Entropía generada por las irreversibilidades Trabajo útil de un sistema.
............................ ........................................... ............................. ............................ ............................ ..................... .......2
.......................... ........................................ ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ..............1
Definición de exergía de un sistema. Ciclo de Carnot
.......................... ......................................... ............................. ............................ ............................ ..................... .......2
............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ........................ .........1
........................... .......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... .....1
Máquina de Carnot
........................... .......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .......................... ............1
Generación de energía mediante ciclo combinado. Características generales del ciclo combinado Principios del ciclo combinado
........................... .......................................... ............................. ............................ ............................ ..............1
............................ .......................................... ............................ ............................. ............................ .................. .....2
............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ................ ..2
Elementos principales de los ciclos combinados de gas y vapor Análisis termodinámico para sistemas sistemas de ciclo combinado.
.......................... ........................................ ............................ ............................. ................. ..1
El ciclo ideal Carnot en el rendimiento de centrales térmicas El ciclo Brayton de las turbinas de gas
............................ .......................................... ............................ ..................... .......2
............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ................. ..2
El ciclo Rankine de las turbinas de vapor
.......................... ......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ..............2
Los ciclos combinados: Brayton y Rankine Diseño de sistemas de ciclo combinado
........................... .......................................... ............................. ................ .. 2
............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ........................ ..........2
............................ ........................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ..............2
......................................... ............................ ............................ ............................ ........................ ..........6 Ciclo combinado con un nivel de presión ........................... .......................................... ............................ ............................. ............................. ................ ..6 Ciclo combinado con dos niveles de presión ............................ .......................................... ............................ ............................. ............................. ................ ..6 Ciclo combinado con tres niveles de presión ............................ ........................................... .......................... ........... 6 Ciclo combinado con tres niveles de presión y recalentamiento ............................
Tabla de contenidos Introducción.................................................... Introducción .......................................................................................................... .......................................................................... .................... 1 Objetivos Generales .................................................. ....................................................................................................... ................................................................. ............ 1 Objetivos Específicos ................................................................................................................. 1 .......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ..............1 Segunda Ley de la Termodinámica ........................... Enunciados clásicos Entropía
............................ .......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ..................... .......2
.......................... ......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... .....4
Principio del aumento de entropía
........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. .......................... ...........2
Características asociadas a la entropía La entropía y la energía "gastada" ¿Para qué sirve la entropía?
............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ................. .. 2
........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. .......................... ...........2
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Procesos para evitar el aumento de entropía. Desigualdad de Clausius. Proceso reversible Proceso irreversible
............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................. ...4
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Entropía generada por las irreversibilidades Trabajo útil de un sistema.
............................ ........................................... ............................. ............................ ............................ ..................... .......2
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Definición de exergía de un sistema. Ciclo de Carnot
.......................... ......................................... ............................. ............................ ............................ ..................... .......2
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Máquina de Carnot
........................... .......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .......................... ............1
Generación de energía mediante ciclo combinado. Características generales del ciclo combinado Principios del ciclo combinado
........................... .......................................... ............................. ............................ ............................ ..............1
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............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ................ ..2
Elementos principales de los ciclos combinados de gas y vapor Análisis termodinámico para sistemas sistemas de ciclo combinado.
.......................... ........................................ ............................ ............................. ................. ..1
El ciclo ideal Carnot en el rendimiento de centrales térmicas El ciclo Brayton de las turbinas de gas
............................ .......................................... ............................ ..................... .......2
............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ................. ..2
El ciclo Rankine de las turbinas de vapor
.......................... ......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ..............2
Los ciclos combinados: Brayton y Rankine Diseño de sistemas de ciclo combinado
........................... .......................................... ............................. ................ .. 2
............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ........................ ..........2
............................ ........................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ..............2
......................................... ............................ ............................ ............................ ........................ ..........6 Ciclo combinado con un nivel de presión ........................... .......................................... ............................ ............................. ............................. ................ ..6 Ciclo combinado con dos niveles de presión ............................ .......................................... ............................ ............................. ............................. ................ ..6 Ciclo combinado con tres niveles de presión ............................ ........................................... .......................... ........... 6 Ciclo combinado con tres niveles de presión y recalentamiento ............................
Impacto en Panamá en sistemas de ciclos combinados.
............................ .......................................... ............................ ............................ ................... .....1
Conclusión ................................................................................................................................ Conclusión ................................................................................................................................ 1 Recomendación ............................................... ..................................................................................................... .......................................................................... .................... 1 Bibliografía ...................................................... ............................................................................................................ .......................................................................... .................... 1
Introduccion Objetivo General Objetivos Específicos Metodología Conclusión Recomendaciones Bibliografia Introduccion
I.
Segunda Ley de la Termodinámica.
El segundo principio de la termodinámica o segunda ley de la termodinámica, expresa que la cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse con el tiempo. Es una de las leyes más importantes de la física; aun pudiéndose formular de muchas maneras todas lleva a la explicación del concepto de irreversibilidad y al de entropía. El enunciado axiomático del segundo principio pone inmediatamente de manifiesto su principal característica: se trata de una de las pocas leyes ontológicas de la Física, en tanto que distingue, de manera general, aquellos procesos y estados físicos que son posibles de aquellos que no lo son; esto es, el segundo principio permite determinar la posibilidad de un proceso o estado. De hecho, en un sentido histórico el segundo principio surgió, en plena Revolución Industrial en el contexto
de las máquinas térmicas como una explicación empírica de por qué éstas se comportaban de una manera determinada y no de otra. a. Enunciados clásicos.
“ Es
imposible que una máquina, sin ayuda mecánica externa,
transfiera calor de un cuerpo a otro más caliente. ”
Clausius, originalmente en alemán (1850) y traducido por Kelvin.
“ Es
imposible construir un dispositivo que, utilizando un fluido inerte,
pueda producir trabajo efectivo causado por el enfriamiento del cuerpo más frío de que se disponga. ”
Enunciado de Kelvin.
“ Es
imposible construir una máquina que no haga otra cosa que elevar
un peso y causar el correspondiente enfriamiento en una fuente térmica.”
Enunciado de Planck-Kelvin en 1897.
“ En
cada vecindad arbitrariamente próxima a un estado inicial dado,
existen estados a los que, mediante procesos adiabáticos, no se pueden acercar tanto como se quiera. ”
C. Carathéodory en 1909. II.
Entropía.
La entropía de un sistema es una magnitud física abstracta que la mecánica estadística identifica con el grado de desorden molecular interno de un sistema físico. La termodinámica clásica, en cambio, la define como la relación entre el calor transmitido y la temperatura a la que se transmite. Vamos a imaginar que tenemos una caja con tres divisiones; dentro de la caja y en cada división se encuentran tres tipos diferentes de canicas: azules, amarillas y rojas, respectivamente. Las divisiones son movibles así que me decido a quitar la primera de ellas, la que separa a las canicas azules de las amarillas. Lo que estoy haciendo dentro del punto de vista de la entropía es quitar un grado o índice de restricción a mi sistema; antes de que yo quitara la primera división, las canicas se encontraban separadas y ordenadas en colores: en la primera división las azules, en la segunda las amarillas y en la tercera las rojas, estaban restringidas a un cierto orden. Al quitar la segunda división, estoy quitando también otro grado de restricción. Las canicas se han mezclados unas con otras de tal manera que ahora no las puedo tener ordenas pues las barreras que les restringían han sido quitadas.
La entropía de este sistema ha aumentado al ir quitando las restricciones pues inicialmente había un orden establecido y al final del proceso (el proceso es en este caso el quitar las divisiones de la caja) no existe orden alguno dentro de la caja. La entropía es en este caso una medida del orden (o desorden) de un sistema o de la falta de grados de restricción; la manera de utilizarla es medirla en nuestro sistema inicial, es decir, antes de remover alguna restricción, y volverla a medir al final del proceso que sufrió el sistema. Es importante señalar que la entropía no está definida como una cantidad absoluta S (símbolo de la entropía), sino lo que se puede medir es la diferencia entre la
entropía inicial de un sistema
y la entropía final del mismo . No tiene sentido
hablar de entropía sino en términos de un cambio en las condiciones de un sistema. a. Principio del aumento de entropía. Todos los procesos reales son irreversibles. Se producen a una velocidad con diferencia s finitas de temperatura y de presión entre los diferentes partes de un sistema o entre un sistema y el medio ambiente. En mecánica se introducen los conceptos de energía, cantidad de movimiento y otros porque se conservan. La entropía no se conserva, sin embargo, excepto en los procesos reversibles y esta propiedad no familiar, o falta de propiedad de la función entropía, es una razón del por qué existe cierto misterio sobre el concepto de entropía. Cuando se mezcla un vaso de agua caliente con uno de agua fría, el calor entregado por el agua caliente es igual al recibido por el agua fría, sin embargo la entropía del agua caliente disminuye y la del agua fría aumenta; pero el aumento es mayor que la disminución por lo que la entropía total del sistema aumenta. De donde ha salido esta entropía adicional? La respuesta es que ha sido creada durante el proceso de mezcla. Por otra parte, una vez que fue creada, la entropía no puede ser destruida. El universo debe cargar con este aumento de entropía. "La energía no puede ser creada ni
destruida” ,
nos dice el primer principio de
la termodinámica. ”La entropía no puede ser destruida, pero puede ser creada" , nos dice el segundo principio. b. Características asociadas a la entropía.
La entropía se define solamente para estados de equilibrio. Solamente pueden calcularse variaciones de entropía. En muchos problemas prácticos como el diseño de una máquina de vapor,
consideramos únicamente diferencias de entropía. Por conveniencia se considera nula la entropía de una sustancia en argumentado de referencia conveniente. Así se calculan las tablas de vapor, e donde se supone cero la entropía del agua cuando se encuentra en fase liquida a 0°C y presión de 1 atm.
La entropía de un sistema en estado se equilibrio es únicamente función del estado del sistema, y es independiente de su historia pasada. La entropía puede calcularse como una función de las variables termodinámicas del sistema, tales como la presión y la temperatura o la presión y el volumen. La entropía en un sistema aislado aumenta cuando el sistema experimenta un cambio irreversible. Considérese un sistema aislado que contenga 2 secciones separadas con gases a diferentes presiones. Al quitar la separación ocurre un cambio altamente irreversible en el sistema al equilibrarse las dos presiones. Pero el medio no ha sufrido cambio durante este proceso, así que su energía y su estado permanecen constantes, y como el cambio es irreversible la entropía del sistema ha aumentado.
c. La entropía y la energía "gastada". En el principio enunciado por Clausius que anteriormente citamos, podemos encontrar la relación con la entropía y la energía liberada en un proceso. Pensemos en un motor: el motor necesita de una fuente de energía para poder convertirla en trabajo; si pensamos en un coche, la gasolina, junto con el sistema de chispa del motor, proporciona la energía (química) de combustión, capaz de hacer que el auto se mueva. ¿Qué tiene que ver la entropía aquí?
La energía que el coche "utilizó" para realizar trabajo y moverse, se "gastó", es decir, es energía liberada mediante un proceso químico que ya no es utilizable para que un motor produzca trabajo. Este es uno de los conceptos más difíciles de entender de la entropía, pues requiere un conocimiento un poco menos trivial del funcionamiento de motores, frigoríficos y el ciclo de Carnot. Pero para nuestros fines con esta explicación es suficiente. d. ¿Para qué sirve la entropía? La entropía, como medida del grado de restricción o como medida del desorden de un sistema, o bien en ingeniería, como concepto auxiliar en los problemas del rendimiento energético de las máquinas, es una de las variables termodinámicas más importantes. Su relación con la teoría del caos le abre un nuevo campo de estudio e investigación a este tan "manoseado" concepto. e. Procesos para evitar el aumento de entropía.
Transferencia de entropía. La entropía está relacionada con la aleatoriedad del movimiento molecular (energía térmica), por esto, la entropía de un sistema no decrece si no hay cierta interacción externa. Ocurre que la única manera que el hombre conoce de reducir la energía térmica es transferirla en forma de calor a otro cuerpo, aumentando así la energía térmica del segundo cuerpo y por ende su entropía. Por otro lado transfiriendo energía térmica es posible reducir la entropía de un cuerpo. Si esta transferencia de energía es reversible, la energía total permanece constante, y si es irreversible la entropía aumenta.
De lo anterior se concluye que el calor es un flujo de entropía. En el caso de la transferencia de energía mecánica, i.e. de trabajo, no hay un flujo directo de entropía. Si la transferencia de energía mecánica en un sistema se realiza con irreversibilidad se producen aumentos de entropía en el sistema, es decir se generan entropía. Esta generación de entropía trae consigo una pérdida de trabajo utilizable debido a la degradaciones la energía mecánica producido por las irreversibilidades presentes como lo es el roce.
Aislamiento térmico. Es el conjunto de materiales y técnicas de instalación que se aplican a un elemento o a un espacio calientes para minimizar la transmisión de calor hacia otros elementos o espacios no convenientes. También se aplica a la acción y efecto de aislar térmicamente. Existen muchas situaciones en las que es conveniente reducir el flujo de calor en una dirección determinada. El caso más común es el aislamiento de edificios para minimizar las pérdidas de calor en invierno y las ganancias en verano, aunque existen otros muchos como; el aislamiento de cámaras frigoríficas, de tuberías de distribución de líquidos calientes o fríos, de hornos y calderas y en general de todos aquellos aparatos, elementos o espacios, en los que se utiliza energía y en los que se necesita mejorar la eficiencia en su consumo. El aislamiento térmico es la primera, más barata y más efectiva medida para el ahorro energético.
III.
Desigualdad de Clausius.
La desigualdad de Clausius es una relación entre las temperaturas de un número arbitrario de fuentes térmicas y las cantidades de calor entregadas o absorbidas por ellas, cuando a una sustancia se le hace recorrer un proceso cíclico arbitrario durante el cual intercambie calor con las fuentes. Esta desigualdad viene dada por: Para todo proceso cíclico se tiene.
∮ ≤ 0
a. Proceso reversible. De una manera simplificada, se puede decir que un proceso reversible es aquel proceso que, después de ser llevado de un estado inicial a uno final, puede retomar sus propiedades originales. Estos procesos son procesos ideales, ya que el tiempo necesario para que se establezcan esos infinitos estados de equilibrio intermedio sería infinito. Por el corolario al teorema de Carnot se tiene que todas las máquinas reversibles que operen entre las mismas temperaturas tienen el mismo rendimiento. Como todas tienen el mismo puede calcularse analizando algún caso particular, siendo el más sencillo el ciclo de Carnot. El resultado es que:
|| = Consideramos un proceso arbitrario en un sistema cualquiera como se muestra en la Figura y nos planteamos la siguiente pregunta:
¿Cuál es la mayor cantidad de trabajo que se puede obtener de una transformación que lleve la masa en el volumen de control de un estado inicial (i) a otro estado final (f) en este ambiente?
Figura 1. Proceso arbitrario de un sistema.
La respuesta (cualitativa) a la pregunta anterior es sencilla: cualquier proceso reversible que lleva a masa en el volumen de control del mismo estado inicial (i) al mismo estado final (f) producirá el máximo trabajo. Consideramos por lo tanto un proceso virtual reversible entre los mismos estados de la sustancia original y en el mismo ambiente a T0 y calculamos el trabajo generado por este proceso virtual. b. Proceso irreversible En termodinámica, el concepto de irreversibilidad se aplica a aquellos procesos que, como la entropía, no son reversibles en el tiempo. Desde esta perspectiva termodinámica, todos los procesos naturales son irreversibles. En general, todos los procesos reales son irreversibles. Pero algunos son más irreversibles que otros. Es deseable contar con una medida cuantitativa de la irreversibilidad de un proceso. Una forma de cuantificar la irreversibilidad de un proceso consiste en comparar el trabajo W que intercambia el proceso con el trabajo Wrev asociado al proceso virtual reversible entre los mismos estados inicial y final. Específicamente, se define la irreversibilidad I como:
I=Wrev W –
Esta cantidad se expresa en unidades de energía y es intrínsecamente no negativa, dado que siempre W rev > W. Para cualquier proceso reversible I = 0. La irreversibilidad es muy útil ya que, si el intercambio de calor es solo con el ambiente, se vincula directamente a la variación de entropía del universo asociada al proceso. Consideremos un proceso cíclico irreversible que toma calor Q c de un foco caliente a temperatura T c y cede una cantidad | Q f | a un foco frío a temperatura T f. De acuerdo con el teorema de Carnot, el rendimiento de esta máquina térmica será menor que el de una reversible que trabaje entre las mismas dos temperaturas. Esto implica
|| > c. Entropía generada por las irreversibilidades. El Segundo Principio de la Termodinámica dice que la entropía de un sistema aislado siempre crece. Si el sistema no es aislado se cumple:
≤ => − ≥ 0 En un proceso reversible, la desigualdad anterior se convierte en igualdad. En
− es mayor que cero. A este término lo llamaremos entropía generada por irreversibilidades ( ). procesos irreversibles, el término
Llamamos entropía generada interna, a la entropía generada por irreversibilidades internas al sistema. Estas irreversibilidades pueden ser
rozamientos internos, diferencias de temperatura o de presión entre puntos del sistema, fenómenos de histéresis, difusión, reacciones químicas, etc.
= Se llama entropía generada externa a la generada por la irreversibilidad entre el sistema y el entorno provocada por la transmisión de calor con un gradiente de temperaturas. Cuanto mayor sea el gradiente de temperaturas entre el entorno y el sistema mayor irreversibilidad habrá.
Nótese que la temperatura del entorno será mayor que la del sistema, ya que el flujo de calor va en el sentido de las temperaturas decrecientes.
IV.
Trabajo útil de un sistema.
A pesar del carácter general de la Termodinámica, su estudio ha estado muy relacionado al desarrollo de los sistemas de producción de trabajo. Es por ello, que siempre se hace hincapié en el estudio de las limitaciones en la producción de trabajo de un sistema que impone el segundo principio. Hasta ahora hemos relacionado la espontaneidad de los procesos que se dan en la naturaleza con una nueva función de estado, que microscópicamente nos indica la probabilidad de los estados microscópicos posibles. Por otra parte, hemos deducido que los procesos espontáneos son los procesos en que la entropía global crece, y que ésta crece debido a las irreversibilidades. Los procesos que se dan en la naturaleza son pues procesos irreversibles. En un proceso irreversible, siempre se pierde una oportunidad de producir trabajo. Esto se puede entender de forma intuitiva con algunos ejemplos. Si tenemos dos recipientes comunicados por una válvula, uno de ellos con un gas a elevada
presión y el otro a presión atmosférica, al abrir la válvula el gas contenido en el recipiente a presión pasará al otro recipiente hasta que se igualen las presiones.
Figura 2. Ejemplo estudiado de un proceso irreversible.
En este proceso espontáneo, la entropía global crece debido a la irreversibilidad que produce la diferencia de presiones existente entre los dos depósitos. La aplicación del primer principio nos indica que si controlamos la temperatura del proceso constante y los depósitos son adiabáticos, la energía se conserva, ya que la energía interna del sistema no cambia. Sin embargo, intuitivamente se aprecia que en este proceso podríamos haber producido un trabajo, que en el estado final ya no podremos realizar. En efecto, la energía se ha conservado en este proceso, pero podríamos decir que se ha degradado, porque en el estado inicial teníamos la posibilidad de producir trabajo, mientras que una vez producido el proceso irreversible ya no es cierto. Como conclusión, otra limitación que impone el segundo principio es que en los procesos espontáneos, que son los que se dan en la naturaleza, se disminuye irreversiblemente la capacidad de producir trabajo, debido a la degradación de la energía producida por las irreversibilidades. Desde este punto de vista, se dice, que el primer principio de la termodinámica es el principio de la Conservación de la energía, mientras que el segundo es el principio de la degradación de la energía. V.
Definición de exergía de un sistema.
Se define la exergía de un sistema como el máximo trabajo útil que podemos obtener del sistema, habida cuenta de las limitaciones que impone el segundo principio. Recordemos que estas limitaciones van en dos sentidos, el primero es que la conversión de calor en trabajo va afectada de un cierto rendimiento. El segundo es que las irreversibilidades disminuyen la capacidad de producir trabajo. Definida de otra forma la exergía es la porción de la energía que puede ser transformada en trabajo mecánico. Una de las principales aplicaciones es el análisis exergético a nivel de proceso y componente. Éste permite identificar, localizar y cuantificar las principales causas de irreversibilidades termodinámicas de un sistema o proceso, mediante el estudio de la destrucción y eficiencia exergéticas. Siendo la exergía la parte disponible de la energía utilizada para producir trabajo útil, esta representa una poderosa herramienta para determinar potenciales mejorías y optimización de procesos, así como impactos ambientales y su mitigación (al ser una medida del desequilibrio con el medio ambiente). La termoeconomía, un área que combina el análisis exergético con el análisis económico es una disciplina recientemente adoptada para determinar los costos exergéticos que se derivan de la producción de diferentes productos en plantas de cogeneración, trigeneración y poligeneración, definiendo así la trigeneracion como el procedimiento similar a la cogeneración en el que se consigue frío, además de energía eléctrica y calor, típicos de la cogeneración, todo a partir de un mismo combustible o una misma fuente de energía primaria y la poligeneración como el proceso que involucra la Generación simultánea e integrada de electricidad, energía mecánica, térmica (calor y frío), otros servicios energéticos y productos útiles. VI.
Ciclo de Carnot
El ciclo de Carnot se produce en un equipo o máquina cuando trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de una fuente de mayor temperatura y cediendo un calor Q2 a la de menor temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura.
Figura 3. Las 4 etapas del Ciclo de Carnot.
El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos adiabáticos (aislados térmicamente). Las aplicaciones del Primer principio de la termodinámica están escritas acorde con el Criterio de signos termodinámico. Expansión isoterma: (proceso 1 → 2 en el diagrama) Se parte de una situación
en que el gas se encuentra al mínimo volumen del ciclo y a temperatura T 1 de la fuente caliente. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T1, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T 1 y mantiene su temperatura constante. Al tratarse de un gas ideal, al no cambiar la temperatura tampoco lo hace su energía interna, y despreciando los cambios en la energía potencial y la cinética, a partir de la 1ª ley de la termodinámica vemos que todo el calor transferido es convertido en trabajo.
Expansión adiabática: (2 → 3) La expansión isoterma termina en un punto tal
que el resto de la expansión pueda realizarse sin intercambio de calor. A partir de aquí el sistema se aísla térmicamente, con lo que no hay transferencia de calor con el exterior. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T 2 en el momento en que el gas alcanza su volumen máximo. Al enfriarse disminuye su energía interna, con lo que utilizando un razonamiento análogo al anterior proceso. Compresión isoterma: (3 → 4) Se pone en contacto con el sistema la fuente de
calor de temperatura T 2 y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Al no cambiar la temperatura tampoco lo hace la energía interna, y la cesión de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema. Compresión adiabática: (4 → 1) Aislado térmicamente, el sistema evoluciona
comprimiéndose y aumentando su temperatura hasta el estado inicial. La energía interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema.
Gráfico 1. Diagrama P vs V del ciclo de Carnot.
VII.
Máquina de Carnot
La máquina de Carnot es una máquina ideal que utiliza calor para realizar un trabajo. En ella hay un gas sobre el que se ejerce un proceso cíclico de expansión y compresión entre dos temperaturas. El ciclo termodinámico utilizado se denomina ciclo de Carnot y fue estudiado por Sadi Carnot alrededor de1820. Carnot se propone encontrar el máximo rendimiento que puede tener una máquina térmica y en su empeño, enuncia el segundo principio de la termodinámica en estos términos: Para poder obtener trabajo mecánico del calor, es necesario contar con dos fuentes de calor a distintas temperaturas. Poco se podía imaginar la evolución y la transcendencia de este principio a lo largo de los años en términos como la entropía o la termodinámica estadística. VIII.
Generación de energía mediante ciclo combinado.
La necesidad de bajos niveles de emisión de contaminantes y de alta eficiencia energética, ha traído el desarrollo de las centrales térmicas de vapor y de gas natural. Una central termoeléctrica de tipo vapor es una instalación industrial, donde la energía química del combustible se transforma en calorífica para producir vapor, éste se conduce a la turbina, donde la fuente cinética se convierte en mecánica, transmitiéndose al generador para producir electricidad. Si bien las centrales convencionales de vapor (termoeléctricas) figuran entre las más contaminantes de los tipos de generación de electricidad, su arraigo en la totalidad de los países se debe a que los combustibles fósiles como el combustóleo, el carbón y el coque de petróleo, seguirán siendo durante algunas décadas la principal fuente de energía utilizada para la producción de electricidad. Las centrales de gas natural también representan una opción viable en el campo de las térmicas, siendo su combustible principal el gas natural; la generación de energía eléctrica en las unidades de turbogas se realiza directamente de la energía cinética, resultante de la expansión de aire comprimido y los gases de combustión.
En el ciclo de turbo gas, la turbina está unida al generador de rotor, dando lugar a la producción de energía eléctrica. Los gases de la combustión, se descargan directamente a la atmósfera después de trabajar. En los sistemas de generación de electricidad mediante gas, la emisión de contaminantes se ve reducida considerablemente, mientras que la eficiencia térmica se ve mejorada respecto al ciclo convencional de vapor utilizado en las centrales termoeléctricas. Desde el punto de vista operativo, el breve tiempo de arranque y la variación a la inconsistencia de la demanda, la turbina de gas satisface cargas de suministro y capacidad de un sistema eléctrico demandante.
a. Características generales del ciclo combinado. Técnicamente, un ciclo combinado está constituido por tres elementos: una turbina de gas, una caldera de recuperación de calor y una turbina de vapor. La turbina de gas genera energía eléctrica mediante la combustión de gas natural. Los gases de escape procedentes de la combustión, se introducen en un intercambiador de calor que se conoce como caldera de recuperación. En ella el agua aprovecha el calor residual de los gases de escape de la turbina de gas para generar vapor que se aprovecha en la turbina de vapor, incrementando la producción total de energía eléctrica.
Figura 4. Esquema simplificado de un sistema de ciclo combinado.
Las plantas de potencia de ciclo combinado pueden ser sin alimentación o con alimentación suplementaria, en este último caso, se alimenta combustible adicional a una caldera de vapor, y la turbina puede ser una parte más bien pequeña de toda la planta. En el sistema sin alimentación, la sección de vapor es auxiliar para la turbina de gas y, por lo común, está controlada automáticamente a aquella. En el sistema sin alimentación, pueden obtenerse tanto como un 40% adicional de potencia, sin quemar combustible adicional. Como consecuencia, la eficiencia térmica global es muy alta (alrededor de 40% en las turbinas modernas. b. Principios del ciclo combinado.
El ciclo combinado es un método para utilizar la energía sobrante del escape de la turbina de gas. Recibe este nombre porque opera bajo los principios de dos ciclos termodinámicos: el ciclo Brayton de la turbina de gas y el ciclo Rankine para la de vapor. Se combina al hacer circular los gases calientes del escape por un recuperador de calor que genera vapor, el cual pasa por la turbina de vapor, donde cambia la energía de presión y temperatura por energía mecánica, para hacer girar un alternador y producir electricidad. Una explicación breve de cómo opera el ciclo es la siguiente: Entra aire al compresor axial de la turbina de gas, el cual es comprimido y se descarga a la cámara de combustión, donde se calienta al mezclarse con los gases dentro de los combustores tipo canasta, pasando por los tubos de transición a la turbina de gas, a la cual cede su energía y ésta la transforma en energía mecánica, los gases salen por el escape de la turbina aun con alta temperatura. Esta energía que se pierde cuando los gases son expulsados hacia la atmosfera, regresa al hacerlos pasar por el recuperador de calor, evaporando el agua generando vapor y sobrecalentándolo. Finalmente, los gases salen a la atmosfera después de haber pasado por el sobrecalentador, evaporador de alta presión, economizador y de baja presión, emergen con un mínimo de energía calorífica. El vapor que sale del sobrecalentador pasa por la turbina de vapor, donde cede su energía cambiándola por energía mecánica, el primero sale por el escape de la turbina y pasa al condensador, en el cual existe un haz tubular al interior de donde circula agua de enfriamiento, proveniente de las torres de enfriamiento y sirve para condensar el vapor que pasa por el exterior de los tubos, convirtiéndolo en agua que cae en el pozo caliente, donde es tomada por las bombas de extracción de condensado y enviada al
deareador para extraerle el exceso de oxigeno no disuelto , y además, darle un ligero precalentamiento. Del deareador pasa al tanque de oscilación o domo de baja presión ,que sirve como depósito de agua, a la bomba de alimentación a la caldera, la cual envía el agua al economizador donde se calienta y cae al domo de alta presión y enviándola al evaporador de alta presión. El domo de alta presión es un recipiente cilíndrico donde se separan el vapor y el agua, pasando ésta, nuevamente, a la bomba de circulación de alta presión y al evaporador de alta presión para evaporarla. El vapor sale del domo y llega a su valor nominal de operación en la turbina. En caso de que la temperatura de vapor sea más alta de su valor nominal, se enfriara levemente en el atemperador, localizado entre el primero y el segundo paso del sobre calentador; el vapor llega a la turbina y se repite una vez más el ciclo.
Figura 5. Producción de energía eléctrica mediante el cicl o combinado.
c. Elementos principales de los ciclos combinados de gas y vapor. El equipo principal del ciclo de vapor lo constituyen la turbina, el generador de vapor y el alternador. Para que opere, es necesario instalar herramientas auxiliares como: bombas, compresoras de aire, torres de enfriamiento, deareadores, etc. El equipo se divide en sistemas que llevan nombre de acuerdo a la función a desempeñar, por ejemplo: el agua de alimentación es llamada así, porque su función específica es alimentar de agua al generador de vapor, etc. Los equipos y elementos principales que integran una central termoeléctrica de ciclo combinado, son los siguientes:
Turbina (s) de gas.
Recuperador (es) de calor.
Turbina (s) de vapor.
Sistema de condensados.
Generador (es) Eléctrico (s).
A continuación se mencionan los subsistemas más comunes que integran una central de ciclo combinado.
Sistema de vapor principal.
Sistema de extracción de vapor.
Sistema de condensado.
Sistemas de agua de alimentación.
Recuperador de calor-generador de vapor.
Sistema de agua de servicio.
Sistema de agua de repuesto.
Sistema de agua de circulación.
Sistema de extracción de aire del condensador.
Sistema de agua de enfriamiento auxiliar.
Sistema de inyección de químicos.
Sistema de inyección de químicos al agua de circulación.
Sistema de arranque de la turbina de gas.
Sistema de aire comprimido.
Sistema de suministro de gas a la turbina.
Sistema de refrigeración a la turbina de gas.
IX. Análisis termodinámico para sistemas de ciclo combinado. a. El ciclo ideal Carnot en el rendimiento de centrales térmicas. La segunda ley de la termodinámica se puede utilizar para mostrar el resultado de que una planta de energía en un estado cíclico de calor en la cual se logra la máxima eficiencia al operar en un ciclo reversible llamado ciclo de Carnot. Su comprensión resulta esencial, ya que cualquier ciclo termodinámico puede expresarse como una combinación de infinitos ciclos de Carnot elementales.
Gráfico 2. Diagrama T vs s del ciclo de Carnot..
b. El ciclo Brayton de las turbinas de gas. La turbina de gas de una central de ciclo combinado gas-vapor es una turbina de ciclo abierto y termodinámicamente es una aplicación del ciclo Brayton. La evolución que sigue el fluido consta de las siguientes etapas:
Una etapa de compresión, efectuada por una maquina térmica denominada compresor, lo más isoentrópica posible. Una etapa de aportación de calor a presión constante. Una etapa de expansión, realizada en una maquina térmica denominada turbina, lo más isoentrópica posible. Una etapa de cesión de calor a presión constante.
Gráfico 3. Diagrama T vs s del ciclo Brayton (izquierda: ideal, centro: ideal e irreversibilidades, derecho: esquemático.)
c. El ciclo Rankine de las turbinas de vapor. La turbina de vapor junto con la bomba de alimentación de agua, la caldera y el condensador de una central de ciclo combinado gas-vapor actúan en ciclo
cerrado, y termodinámicamente es una aplicación del ciclo Rankine. La evolución que sigue el fluido consta de las siguientes etapas.
1 – 2 Compresión isentrópica en una bomba. 2 – 3 Adición de calor a presión constante en una caldera. 3 – 4 Expansión isentrópica en una turbina.
4 – 1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador.
Figura 6. Ciclo Rankine y diagrama T vs s del ciclo Rankine.
d. Los ciclos combinados: Brayton y Rankine. “ La
continua búsqueda de eficiencias térmicas más altas ha originado
modificaciones innovadoras a las centrales eléctricas convencionales. Entre las modificaciones más extendidas, se encuentra el ciclo de potencia de gas que remata a un ciclo de potencia de vapor y que tiene una eficiencia térmica más alta que cualquiera de los ciclos ejecutados individualmente. ” (Cengel, Y.A., 2010, p.583)
Figura 7. Ciclo combinado y diagrama T vs s del ciclo combinado.
En el ciclo combinado, análisis global es resultado de un análisis individual tanto para el ciclo de gas, como para el ciclo de vapor. Por lo tanto para el intercambiador de calor aplicando un balance de energía.
Donde es la relación de flujos másicos, de ahí que por cada de gases se pueden calentar únicamente de vapor.
La salida total de trabajo de la planta por kilogramo de gases de combustión es:
La eficiencia térmica del ciclo se determina a partir de:
e. Diseño de sistemas de ciclo combinado. Con el objeto de reducir las pérdidas de energía en el acoplamiento de los ciclos Rankine y Brayton, el vapor en la caldera de recuperación se puede generar en uno, dos o tres niveles de presión, y con o sin recalentamiento intermedio. i. Ciclo combinado con un nivel de presión.
El ciclo combinado gas – vapor más sencillo es el de un solo nivel de presión sin equipo especial añadido. Presión de Vapor: La presión de vapor se seleccionará de forma que se obtenga un máximo en el producto flujo másico de vapor generado y salto entálpico disponible en la turbina de vapor, compatible con los aspectos económicos del resto de la instalación. El óptimo de presión de vapor para una temperatura determinada, es aquella que, siendo la más alta posible y compatible con la máxima recuperación de calor, no dé lugar al final de la etapa de
expansión a un contenido de humedad superior al máximo admisible en las últimas ruedas de la turbina de baja presión. ii. Ciclo combinado con dos niveles de presión.
El ciclo combinado gas – vapor de dos niveles de presión en la caldera recuperadora trae consigo el aumento en el rendimiento del vapor y la turbina, evitando humedad y aprovechando de manera más efectiva el calor de los gases de escape de la turbina de gas. iii. Ciclo combinado con tres niveles de presión.
Añadir un tercer nivel de presión al ciclo, se puede mejorar un poco más el rendimiento al recuperar más energía de los gases de escape de la turbina de gas. iv. Ciclo combinado con tres niveles de presión y recalentamiento.
El recalentamiento introduce un cambio en la turbina de vapor con dos cuerpos diferenciados: alta presión, presión intermedia y baja presión. En un ciclo combinado de tres niveles de presión y recalentamiento, no hay mezcla de vapores en la turbina de vapor, evitando así zonas de fatiga térmica por diferencias de temperatura. El rendimiento del ciclo mejora debido al recalentamiento y la humedad en el último paso de la turbina de vapor se reduce al 10%, valor significativamente más bajo que el 16 – 18% del ciclo con triple nivel de presión.
Tabla 1. Balance de energía para las distintas configuraciones existentes en centrales de ciclo combinado. 1 P: un nivel de presión. 2 P: dos niveles de presión. 3 PR: tres niveles de presión con recalentamiento.
Tabla 2. Comparación termodinámica de una planta de Turbina d e Gas, Turbina de Vapor, y Ciclo Combinado.
X.
Impacto en Panamá en sistemas de ciclos combinados.
Figura 8. Demanda Diaria de potencia en Panamá.
Nuestros objetivos generales en este trabajo son disminuir gases contaminantes a la atmósfera producidos por térmicas de combustión y el aprovechamiento de la energía eléctrica por medio de la implementación de sistemas de ciclos combinados en nuestro país. Aproximadamente más del 30% de la generación eléctrica de nuestro país suele ser producida por medio de máquinas térmicas, de las cuáles emiten grandes cantidades de contaminantes en nuestro entorno como lo son las emisiones del tipo NOx CO HC y PM, transformando nuestro medio ambiente poco a poco a través del tiempo. Por ejemplo, por cada motor de combustión diésel de 1MW de potencia entregada, se está produciendo en CO2 un aproximado de 21 276, 11 kg utilizando simple estequiometria, y se está produciendo 7 257.6 Kg de CO2 si el dispositivo
generador es de bajo consumo; omitiendo en este caso, las cantidades de motores diésel de 1MW que una empresa privada desea colocar en un sitio determinado. Ambas medidas se produjeron en un plazo de 1 año. Utilizamos, mencionado en el apartado anterior el combustible fósil diésel, lo cual en aporte en sustancia a la generación de nuestro país no es significativamente alto, ya que se usa mayormente el combustible fósil “bunker” que es un gasóleo mucho más pesado y contaminante, y el carbón utilizado en Colón por la termoeléctrica actualmente en generación, con un gran índice de aportación a la energía en Panamá en tipo térmicas: Bahía las Minas.
Tabla 3. Emisiones de CO2 por Kwh según el tipo de combustible utilizado.
Otro aspecto importante a los altos grados de contaminación a la atmósfera es la debida atención y el buen mantenimiento que se le deben realizar a las máquinas térmicas, puesto que los mismos tienen varios sistemas auxiliares que incrementan su eficiencia y su generación. También el tiempo de operación concurrido; una máquina térmica ensamblada en el presente no producirá muchos contaminantes que una máquina térmica ensamblada décadas atrás. Pero cambiar el paradigma político y social de un país no es muy fácil. Puesto que el precio del combustible y del carbón son muy baratos, estas generadores
entregan un precio de energía o potencia firme al sistema al muy por menor que otras generadoras de energía eléctrica, inclusive menor a las de índole renovable (Hidroeléctrica Fortuna 300MW). Y esto es consecuencia al mercado “Spock” o el mercado en donde los recursos naturales tengan un precio. (Cabe destacar que hoy día, el precio de un combustible fósil es mucho más económico que el precio del agua en materia de producción).
Tabla 4. Costos fijos anuales de una central de generación
Podemos visualizar en la tabla que tan económico cuesta la energía por el tipo de central térmica diésel comparada con un tipo de central hidroeléctrica. Con esto sustentamos que primordialmente en generación van entrando maquinarias térmicas, y cuando la demanda de energía lo requiera entrarán entonces las máquinas de índole renovable. Si esto sigue así, y se instale en un futuro previo, cantidades mayores de máquinas térmicas, terminaremos con un alto porcentaje de contaminante en nuestra atmósfera que será dañino para las siguientes generaciones. Por eso exhortamos promover la propuesta de subirle el costo de la energía a las centrales térmicas, o como lo hemos estado haciendo en el transcurso de este trabajo, buscar medidas de aprovechamiento de energía como lo son las centrales de ciclos combinados, utilizando el vapor que sale a la atmosfera como otra alternativa de producción de la energía, limitando los gases contaminantes; llevarlo al máximo con sistemas de ciclo combinados de múltiples presiones; e inclusive, utilizar combustibles menos contaminantes como lo son el gas natural e implementaciones de ciclo combinado en geotérmicas.
