UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS CURSO: TERMODINAMICA TERMODINAMICA DOCENTE: ING. JIMY OBLITAS CALLIRGOS ALUMNOS: CARRANZA CAMACHO ROBERT MINCHÁN VALENCIA MARCELO RAMOS VASQUEZ WALTER TEMA: ENSAYO ``CICLO RANKINE´´
AÑO: 2018
Ciclo De Rankine 1.- Resumen
El ciclo de Rankine es un ciclo que opera con vapor, es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine. El ciclo surge como una mejora del Ciclo de Carnot al buscar tener una mejor relación de trabajo (trabajo útil respecto del trabajo total). 2.- Introducción.
El ciclo Rankine es un ciclo que opera con vapor, y es el que se utiliza principalmente en las centrales termoeléctricas e industrias petroleras. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor. Este será llevado a una turbina donde produce energía cinética a costa de perder presión. Su camino continua al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a estado líquido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente poder introducirlo a la caldera. Los diagramas p – V en los que interviene un líquido que se vaporiza tiene una diferencia respecto a los de gas: aparece la llamada campana de cambio de fase. A la izquierda de la campana tenemos estado líquido, que apenas varía su volumen cuando se calienta o se aumenta su presión. Por eso las líneas isotermas son casi verticales. A la derecha de la campana tenemos vapor, que se comporta como un gas, por lo que las líneas isotermas son similares a las de los gases ideales. En el interior de la campana, el líquido se está evaporando, y las líneas de temperatura constante son horizontales. Esto es debido a que, dada
una presión, el calor que se le aporta al fluido no se emplea en elevar la temperatura, sino en la evaporación. Con el resumen y la pequeña explicación del diagrama p-V para el cambio de fase, el ciclo en detalle es el siguiente: En el proceso 1-2 se aumenta la presión del líquido sin perdidas de calor mediante un compreso o bomba, al que se aporta un pequeño trabajo. El proceso 2-3 es una transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. Con este calor se evapora todo el líquido y se calienta el vapor hasta la temperatura máxima. La expansión del proceso 3-4 se realiza de forma adiabática. El vapor realiza un trabajo en las turbinas desde la presión de la caldera hasta un bajo de presión al cual se transfiere el vapor al condensador. El proceso 4-1 consiste en refrigerar el vapor de trabajo a presión constante en el condensador hasta el estado de líquido, para iniciar de nuevo el ciclo. El rendimiento ideal de este ciclo tiene el mismo valor que el ciclo de Carnot: Aunque jamás se alcanzan valores tan elevados. Para mejorar en lo posible el aprovechamiento del combustible quemado se somete al fluido a una serie de procesos que tienen como objeto aumentar el área encerrada por el diagrama. Véase (figura 10-2)
3.- Estado Del Arte.
Concepto: Ciclo Rankine El ciclo de vapor es un objeto de estudio fundamental pues pensemos que de él depende, en gran medida, la seguridad en todas sus facetas, y el rendimiento energético y, por tanto, económico; ambas cosas son de un interés capital. Estos ciclos de vapor son sustentados por una centrifugación de dispositivos normalmente denominados maquinas térmicas cuyo objetivo es el de convertir la transferencia de calor en trabajo. Para el análisis de cada ciclo habrá que tener en cuenta que tipo de fluido de trabajo se trata (agua, refrigerante-12, etc.) y que configuración de dispositivos tiene. (Ing. GOMEZ PULIDO, Juan Antoni; modelación y simulación orientada a objeto de plantas de vapor, Madrid, 2002)
El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine. El ciclo surge como una mejora del Ciclo de Carnot al buscar tener una mejor relación de trabajo (trabajo útil respecto del trabajo total) https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Rankine Ciclo Rankine ideal El sistema Rankine ideal en el cual la transferencia de calor de la caldera tiene lugar hacia e fluido de trabajo, en un proceso a presión constante de la manera siguiente : el líquido entra en la caldera desde la bomba a una temperatura relativamente baja siendo este un estado 1, para ser calentado hasta vapor saturado y seguir su trayectoria atreves de las tuberías donde experimentara un ligero aumento de volumen debido a la expansión térmica, el líquido llega al punto de saturación donde al ser un sistema ideal la presión alcanzada será constante, temperatura constante, además existirá una energía agregada al fluido de trabajo el cual se transformara en calor de vaporización llegando a obtenerse un vapor cuya calidad será del 100%; seguidamente este vapor se expande siendo un proceso isotrópico produciendo trabajo en una turbina, esta expiación dada se ve limitada por la aparición de la condensación del vapor que se da en la turbina y por la presión de saturación disponible a la temperatura del medio de enfriamiento empleada en el condensador, el vapor sigue el camino de las tuberías llegando al condensador donde se reutiliza para ser enviado nuevamente a la bomba. (Véase en el grafico 1)
(Principios de termodinámica para ingenieros, John R. Howell, Richard O. BUCKIUS; capitulo 6 ciclo de Rankine pag. 301-310) GRAFICO 1: Ciclo Rankine Simple Ideal
MODELACION Y SIMULACION ORIENTADA A OBJETO DE PLANTAS DE VAPOR.
GRAFICO 2: MODELACION Y SIMULACION ORIENTADA A OBJETO DE PLANTAS DE VAPOR
Ciclo Rankine reales Todos los procesos reales tienen alguna irreversibilidad ya sea mecánica por razonamiento, termina o por otro tipo. sin embargo, las irreversibilidades se pueden reducir pudiéndose considerar reversible un proceso cuasi estático y sin efectos disipativos. En un ciclo más realista que el ciclo Rankine ideal descrito, los procesos en la bomba y la turbina no serían exactamente isoentrópicos y el condensador y la caldera presentarían perdidas de carga. Todo ello generaría una reducción del rendimiento térmico del ciclo. El rendimiento isoentrópico de la turbina que presenta el grado de alejamiento de una turbina respecto al proceso ideal isoentrópico jugaría un papel principal en las desviaciones al ciclo ideal y en la reducción del rendimiento. El rendimiento isoentálpico de las bombas y las pérdidas de cargas en el condensador y en la caldera tendrían una influencia mucho menor sobre la reducción del rendimiento del ciclo. (Véase gráfico 3). (Pons Hernández, Antonio; Termodinámica Técnica para Ingenieros Químicos) Grafico 3: MODELACION Y SIMULACION ORIENTADA A OBJETO DE PLANTAS DE VAPOR
Aumento de la eficiencia en un ciclo Rankine ●
Aumentando la presión inicial de la expansión
Elevación del rendimiento del ciclo de Rankine con el aumento de la presión inicial de la expansión A fin de aumentar el rendimiento de este ciclo, en la figura (2.3; , ) se puede ver representado el ciclo de Rankine en los planos ℎ. La temperatura 4 a la entrada de la turbina es la misma, igual que la presión 5 en el condensador. Sin embargo, la presión en la caldera y entrada de la turbina es distinta, siendo 4′ > 4. (Véase gráfico 2.3) (SERGI FUSTE PAREDES, Barcelona, 8 de ab ril del 2015, ANALISIS TERMOINAMICO DE LOS CICLOS
RANKINE, pag. 16
Como se puede apreciar el rendimiento del ciclo aumenta claramente cuanto mayor es la presión en la caldera y entrada de la turbina, es por eso la tendencia en las instalaciones será elevar dicha presión. El principal inconveniente que tiene este aumento de presión es que 5′ < 5 y cuanto mayor sea la presión 4, menor será el título al final de la expansión en la turbina.
Este hecho originará daños en los álabes de la turbina y un empeoramiento del rendimiento
interno de esta. La humedad máxima del vapor al final de la expansión en la turbina no deberá exceder del 10% al 12%. (SERGI FUSTE PAREDES, Barcelona, 8 de abril del 2015) ●
Disminución de la presión final de la expansión En la figura (2.9; , ) se puede ver representado el ciclo de Rankine en los planos
ℎ.
Donde la presión 4 y la temperatura 4 a la entrada de la turbina se mantienen fijas,
mientras que la presión del condensador 5 varía, siendo 5′ < 5. FIGURA 2.9- a, b: ANALISIS TERMOINAMICO DE LOS CICLOS RANKINE,
Vemos claramente como el aumento del rendimiento se experimenta al disminuir la presión y aumentar el vacío en el condensador. Por otra parte, observamos que 5′ < 5, es decir, la calidad del vapor a la salida de la turbina disminuye si reducimos la presión en el condensador. Este aumento del vacío en el condensador conlleva una disminución de la temperatura de saturación del condensador 5. Por esta razón la presión mínima alcanzable dependerá de la temperatura del agua de refrigeración de la que se dispone en la instalación. Al aumentar el vacío
en el condensador también aumenta el volumen específico del fluido a la salida de la turbina, con lo cual aumentan las dimensiones de la turbina y del condensador. (SERGI FUSTE PAREDES, Barcelona, 8 de abril del 2015) ●
Aumento de la temperatura En la figura (2.6; , ) se puede ver representado el ciclo de Rankine en los planos
ℎ,
donde la presión 4 a la entrada de la turbina y la presión 5 en el condensador, se
mantienen constantes. Sin embargo, la temperatura en la caldera y entrada de la turbina sufre una variación, siendo ′4 > 4. En este caso el trabajo del ciclo aumenta, dado que: Figura 2,6, a, b: ANALISIS TERMOINAMICO DE LOS CICLOS RANKINE
El rendimiento del ciclo aumenta claramente cuanto mayor es la temperatura en la caldera y entrada de la turbina. Además del aumento del rendimiento, observamos que 5′ > 5, es decir, la calidad del vapor a la salida de la turbina aumenta. Por lo tanto, al aumentar la temperatura en la caldera no sólo aumenta el rendimiento térmico del ciclo, sino también el rendimiento interno de la turbina. Por esta razón el aumento en la temperatura de la caldera nos ayuda a evitar el aumento de la humedad producido por una elevación en la presión de la caldera. El límite máximo al que
se puede elevar la temperatura 4 viene condicionado por la resistencia de las aleaciones empleadas. Es importante decir que el uso de estos materiales tan avanzados metalúrgicamente, encarece mucho la instalación. Por eso la optimización de la central es un compromiso entre coste inicial y rendimiento. (SERGI FUSTE PAREDES, Barcelona, 8 de abril del 2015) ●
Recalentamiento intermedio del vapor Calentando el vapor de manera escalonada su expansión, teniendo varias etapas de
turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento mediante recalentadores (Moisture Steam Reheaters en el caso de centrales nucleares), este escalonamiento de la expansión da lugar a los cuerpos de alta, media y baja presión de turbina. (Véase figura 2) (Pons Hernández, Antonio; Termodinámica Técnica para Ingenieros Químicos) FIGURA 2: Ciclo de Rankine simple ideal recalentado
Para incrementar aún más la eficiencia del ciclo de Rankine, el vapor que pasa por la turbina puede recalentarse. En este caso, se emplean dos etapas en la turbina. Cuando el vapor sale de la etapa de alta presión, se le envía hacia al sobre calentador recalentarse antes de
regresar a una segunda etapa de baja presión para una expiación posterior en la turbina. El mayor beneficio del recalentamiento consiste en la calidad del vapor de agua a la salida de cada etapa de la turbina se mantiene en su valor más alto y se pueden emplear mucho más altas presiones en la caldera. (principios de termodinámica para ingenieros, John R. Howell, Richard O. BUCKIUS; capitulo 6 ciclo de Rankine pág. 301-310) 4.- Análisis Cr ítico.
Uno de los posibles usos del ciclo Rankine en la industria alimentaria en el departamento de Cajamarca, y en la provincia de Jaén, se puede aplicar en la producción azucarera de la zona, para aprovechar la energía residual del vapor de escape para incrementar la producción de electricidad en la industria azucarera, sin alterar el proceso productivo. Al comparar el ciclo básico Rankine que se emplea en una planta de cogeneración de la industria azucarera durante el periodo inactivo y otros dos ciclos, uno con un turbogenerador a condensación de baja presión de entrada adicionándolo al turbogenerador de contrapresión y otro combinado con un Ciclo Orgánico Rankine (ORC) para la determinación de un posible incremento de la eficiencia, como alternativa de mejoramiento de la producción de electricidad, teniendo en cuenta la metodología de cálculo energético y exergético. Además, el Sistema de cogeneración utilizado en la industria azucarera es la producción combinada de energía eléctrica y calor a partir de una misma fuente de energía primaria, representa uno de los procedimientos más perfectos de la energética moderna ya que se obtiene una gran ventaja económica por el ahorro del combustible que produce su empleo. Este ahorro se deriva del hecho de que en estos sistemas es posible aprovechar con mayor eficiencia la energía de alta calidad que está acumulada en un combustible, mediante el uso de una máquina térmica que funcione entre una
temperatura lo más cercano posible a la temperatura de combustión y la temperatura que requieren los procesos. En el caso de las fábricas de azúcar, el vapor se emplea primordialmente para las necesidades de calentamiento y evaporación del proceso, pero como este vapor se genera a presiones más altas que las requeridas, produce un considerable sobrante de energía que puede ser utilizada por un turbogenerador que escape total o parcialmente a las líneas de proceso, y la energía eléctrica producida puede ser utilizada tanto para el consumo interno como para exportar al Sistema Electroenergético Nacional. La industria azucarera tiene características muy peculiares, se suministra su propio combustible, el bagazo, con el que produce el vapor para la generación de energía y para las necesidades del proceso, coordinando simultáneamente las producciones de calor y electricidad, con las que se obtienen rendimientos energéticos superiores a los obtenidos en estas producciones por separado lo que representa grandes beneficios para la empresa y para el país. Otra de las alternativas para el uso del sistema estudiado en el ciclo Rankine en el departamento de Cajamarca es el de aprovechar el calor generado en hornos ya sea a leña, carbón o electricidad muy utilizados en la industria de panificación y en general en todo el territorio peruano, esto con el fin de aprovechar las altas temperaturas que se generan dentro de estos hornos, ya que mucha de esta energía, simplemente no es utilizada; para el caso de un horno a leña o carbón podremos implementar el sistema de la siguiente manera que la describiremos: Necesitaremos un contenedor en el cual se almacenara el fluido utilizado en el sistema, el cual también nos servirá como almacén del fluido al término del ciclo de producción, el líquido en una primera etapa se dirigirá mediante tuberías a una bomba donde se condensa para luego ser
dirigido a la campana del horno donde entra como liquido comprimido en un sistema de tuberías en forma de sic sac muy similar al de los paneles solares, una vez en la campana del horno el calor generado en el proceso de horneado será el encargado de transferir el calor necesario para elevar la temperatura de nuestro fluido, el contenido en la tubería la cual al cabo de un determinado tiempo empezará a evaporar saliendo de esta etapa como vapor sobrecalentado, seguirá atreves de la tubería y con el calor aun restante que se genere en el horno se redirige a una segunda instancia de calentamiento del vapor sobrecalentado para así poder obtener un vapor con mucha más calidad; luego atreves de la tubería, el vapor súper calentado entrara en la turbina donde genera trabajo gracias al movimiento de un eje el cual se encontrara conectado a un generador eléctrico produciendo la electricidad que se podrá aprovechar más adelante en otros y diferentes procesos (figura 4. Simulación del proceso) tales como: Para el funcionamiento de una faja transportadora el cual se utilizara para el traslado del pan ya horneado a un almacén para su posterior empaque, evitando así de esta manera el tiempo que emplea el operario en el traslado manual del producto hacia otro ambiente y en consecuencia también el gasto de energía eléctrica que se emplea convencionalmente ya que en este caso el equipo de la industria (horno a leña), estaría generando la fuente de energía, que de paso se estaría evitando la fuga y perdida de calor. Que para no desperdiciarla nos ayuda a girar el motor de las fajas transportadoras más comunes. También a partir de un horno convencional, el vapor generado se puede utilizar conectándolo a un pistón que con la presión de vapor lograría un movimiento circular en conjunto con una biela o brazo mecánico, a esto se le sujetaría por medio de una faja hacia un generador de energía de tal manera que este transforme la energía mecánica en energía eléctrica y haga funcionar el motor de la faja transportadora de pan.
Este trabajo generado gracias al aprovechamiento del calor en el horno lo veremos reflejado en forma de electricidad y parte de ésta lo podremos utilizar en un sistema de refrigeración y se haga posible la condensación por lo que lograremos controlar el refrigerante para que no se pueda sobrecalentar. El líquido saturado obtenido de la etapa de condensación se enviará hacia una bomba la cual se encargará de llevar el líquido saturado nuevamente a la campana del horno así se completaría el ciclo para cada proceso de producción que se realice en el horno. Cuando el horno este frio el fluido frio se dirigirá mediante la tubería de la campana del horno hacia el tanque de almacenamiento hasta otro momento de producción. Por lo tanto, podemos decir que es una manera de utilizar de manera responsable y de manera amigable con el medio ambiente de generar una fuente de energía eléctrica. Figura 4: simulador de un sistema generador de energía eléctrica a través de un ciclo Rankine.
5- Referencias. Online
https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Rankine En libros
(Ing. GOMEZ PULIDO, Juan Antoni; modelación y simulación orientada a objeto de plantas de vapor, Madrid, 2002) (SERGI FUSTE PAREDES, Barcelona, 8 de ab ril del 2015, ANALISIS TERMOINAMICO DE LOS CICLOS
RANKINE, pag. 16
(SERGI FUSTE PAREDES, Barcelona, 8 de abril del 2015) Buckius, R. 0. (agosto de 1990). Principios de Termodinamica para Ingenieria. mexico: McGraw-Hill, Inc., U.S.A. Howell, J. R. (agosto de 1990). Principios de Termodinamica para Ingenieria. mexico: McGrawHill, Inc., U.S.A.
