E f i c i en en c i a e n l o s c i c l o s d e v a p o r Alumno:
Pérez Solís Rafael Eduardo Asignatura:
Máquinas y equipos térmicos II Docente:
Ing. Pascual Gabriel Pech Borges INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR PROGRESO Fecha: 04/09/2013
El ciclo de vapor de Carnot
El ciclo de Carnot es el más eficiente de los ciclos que operan entre dos límites especificados de temperatura, sin embargo, no es un modelo adecuado para los ciclos de potencia. Considere un ciclo de Carnot de flujo estacionario ejecutado dentro de la curva de saturación de una sustancia pura, como se muestra en la figura 1. El fluido se calienta de manera reversible e isotérmicamente dentro de una caldera (1-2); se expande isoentrópicamente dentro de una turbina (2-3); se condensa reversible e isotérmicamente dentro de un condensador (3-4), y se condensa de manera isoentrópica mediante un compresor hasta su estado inicial (4-1). Es impráctico utilizar el ciclo de Carnot con fluidos que sufran cambios en sus fases: Restringir la transferencia de calor a sistemas de dos fases limita severamente la temperatura que puede utilizarse en el ciclo, a su vez, restringir la temperatura máxima en el ciclo limita la eficiencia térmica. En el proceso de expansión isoentrópica en la turbina localidad del vapor disminuye y el choque de gotas líquidas en los álabes produce erosión. En los ciclos de potencia la calidad de l vapor debe ser siempre mayor a 90%. El proceso de compresión isoentrópica implica la compresión de una mezcla de líquido y vapor hasta un líquido saturado, sin embargo no es fácil controlar el proceso de condensación de forma tan precisa como para obtener la calidad deseada en el estado 4, y no es práctico diseñar un compresos que maneje dos fases. De todo esto se concluye que el ciclo de Carnot no puede lograrse en dispositivos reales y no es un modelo realista para los ciclos de potencia. Sin embargo, se utiliza como patrón para comparar con la eficiencia de ciclos reales, ya que este sirve como límite máximo, pues no existe ninguna máquina real que pueda alcanzar la eficiencia de un ciclo de Carnot.
Figura 1. Diagrama T-s para el ciclo de vapor de Carnot.
Eficiencia en los ciclos de vapor
El objetivo de un ciclo de potencia es la conversión de calor en trabajo, por lo tanto su eficiencia se mide en términos de qué tanto trabajo produce en comparación con la cantidad de calor que requiere para producirlo. Esta relación se expresa en la siguiente ecuación:
Donde: η ter =
eficiencia térmica W net = trabajo neto de salida Q ent = calor de entrada o
Para el ciclo de Carnot:
Sin embargo, ya se mencionó que el ciclo de Carnot solamente da la pauta para comparar la eficiencia de los ciclos reales. Lo que se busca en la práctica es que el valor de la eficiencia se acerque lo más posible a la eficiencia que se lograría con el ciclo de Carnot.
El ciclo Rankine ideal simple
Es posible eliminar muchos de los aspectos imprácticos del ciclo de Carnot si el vapor es sobrecalentado en la caldera y condensado por completo en el condensador como se muestra en la figura 2. Lo que resulta es el ciclo Rankine, el cual 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 isoentrópica en una bo mba. 2-3 Adición de calor isobárica en una caldera. 3-4 Expansión isoentrópica en una turbina. 4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador.
Figura 2. El ciclo Rankine simple.
El agua entra a la bomba como líquido saturado y se condensa isoentrópicamente hasta la presión de operación de la caldera (1-2); entra a la caldera como líquido comprimido y sale como vapor sobrecalentado (2-3); el vapor entra en la turbina donde se expande isoentrópicamente y produce trabajo al hacer girar el eje que está acoplado a un generador eléctrico. La presión y la temperatura del vapor disminuyen durante este proceso (3-4). Finalmente el vapor entra al condensador como vapor húmedo y se condensa a presión constante dentro del mismo, saliendo como líquido saturado (4-1).
Eficiencia del ciclo Rankine
Los cuatro componentes que intervienen en el ciclo Rankine son dispositivos de flujo estacionario (bomba, caldera, turbina, condensador), por lo tanto se pueden considerar los cuatro procesos que lo componen co mo procesos de flujo estacionario. Por lo general los cambios en la energía cinética y potencial del vapor son insignificantes en comparación con los términos de trabajo y transferencia de calor y pueden despreciarse. La caldera y el calor no incluyen ningún trabajo y se supone que la bomba y la turbina son isoentrópicas, entonces la relación de conservación de la energía para cada dispositivo puede expresarse como: Donde
De este modo, la eficiencia térmica del ciclo Rankine se determina a partir de
Donde
La eficiencia térmica también puede interpretarse como la relación entre el área encerrada por el ciclo en un diagrama T-s y el área bajo el proceso de adición de calor.
Factores que afectan la eficiencia de los ciclos de potencia
El ciclo real de potencia de vapor difiere del ciclo ideal Rankine como resultado de las irreversibilidades en diversos componentes. La fricción del fluido y las pérdidas de calor hacia los alrededores son las dos causas más co munes de irreversibilidades. La fricción del fluido ocasiona caídas de presión en la caldera, el condensador y las tuberías. Para compensar estas caídas de presión el agua debe bombearse a una presión más alta que la que tiene el ciclo ideal. Esto requiere de una bomba más grande y de mayor entrada de trabajo a la bo mba. Otra fuente de irreversibilidades es la pérdida de calor del vapor hacia los alrededores. Para mantener la misma cantidad de salida neta de trabajo es necesario transferir más cantidad de calor al vapor desde la caldera. Como consecuencia la eficiencia del ciclo disminuye.
El ciclo Rankine ideal con recalentamiento
El incremento de la presión incrementa la eficiencia del ciclo Rankine, sin embargo también eleva la humedad a niveles inaceptables. Sobrecalentar el vapor a temperaturas muy altas antes de que entre a la turbina podría solucionar el problema, pero no es viable dado que requiere elevar la temperatura del vapor hasta niveles metalúrgicos inseguros. Una solución práctica al exceso de humedad en turbinas es el recalentamiento. Este proceso consiste en expandir el vapor en la turbina en dos etapas y recalentarlo entre ellas. La figura 3 muestra el ciclo Rankine ideal con recalentamiento.
Figura 3. Ciclo Rankine ideal con recalentamiento.
En la primera etapa (turbina de alta presión) el vapor se expande isoentrópicamente hasta una presión intermedia y regresa a la caldera donde se recalienta a presión constante, por lo general hasta la temperatura de entrada de la turbina de la primera etapa. Después el vapor se expande isoentrópicamente en la segunda etapa (turbina de baja presión) hasta la presión del condensador. De modo que la entrada de calor total y la salida total del trabajo de la turbina en un ciclo de recalentamiento vienen a ser
La introducción de un recalentamiento simple en una central eléctrica moderna mejora la eficiencia del ciclo en un 4 o 5 por ciento, ya que se incrementa la temperatura promedio a la cual el calor se transfiere al vapor. Una tercera etapa de recalentamiento incrementa la eficiencia del ciclo en casi la mitad de la mejora alcanzada por el segundo recalentamiento. Esta ganancia es tan pequeña que no justifica el costo y la complejidad adicionales.
El ciclo Rankine ideal regenerativo
Otra forma de aumentar la eficiencia del ciclo Rankine es extraer el vapor de la turbina en diversos puntos. Este vapor que podría producir más trabajo si se expandiera aún más en la turbina, se utiliza en cambio para calentar el agua que sale de la bomba (agua de alimentación) en un calentador de agua de alimentación (CAA). Este proceso incrementa la eficiencia del ciclo de un 4 a un 5 por ciento. En la figura 4 se observa el ciclo Rankine ideal regenerativo.
Figura 4. Ciclo Rankine ideal regenerativo con un calentador abierto de agua de alimentación.
Es posible combinar la regeneración y el recalentamiento en un mismo ciclo para aprovechar al máximo los beneficios de estos dos procesos y mejorar considerablemente la eficiencia del ciclo.
