U NI VE RS ID AD AL AS P ER UAN AS Dirección Universitaria Universitaria de Educación a Distancia Escuela Académico Profesional de Ingeniería Ambiental
TERMODINAMICA
Docente:
2013-I
PANIAGUA INFANTE ELEUTERIO
Ciclo:
5
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Módulo I
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3
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4
Otros contenidos considerando los niveles cognitivos de orden superior:
Valor: 10 ptos
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CENTRAL TERMICA DE PISCO: MEJORA DE SU EFICIENCIA TERMICA.
Resumen La central térmica de Pisco esta ubicada en el Centro Poblado Dos Palmas, Distrito Independencia, Provincia Pisco, Departamento Ica. Esta central funciona con una turbina operando en un ciclo Bryton con una potencia de 75MW, cuyo combustible utlizado es gas, de esta forma los gases de escape salen a temperaturas muy elevadas, pudiendo ser aprovechados para operar otro ciclo, como uno de vapor por ejemplo. Es eso lo que vamos a analizar, como usar los gases de escape calientes de la turbina de gas que opera en un ciclo Bryton para hacer funcionar una turbina de vapor, que en este caso funcionara con ciclo Rankine.
Introducción Actualmente se están diseñando ingeniosos dispositivos para aumentar la eficiencia de las maquinas generadoras de potencia ya de esta manera se lograría un gran ahorro económico y disminuirían la contaminación ambiental. Existen muchas ideas para lograr ello, entre las cuales están la regeneración, interenfriamiento, cogeneración, combinación de ciclos de gas y vapor. Nos enfocaremos en este ultimo ya que es la tendencia actual en el país.
a) El problema de investigación Para aprovechar de manera optima la energía calorífica que producen los combustibles fosiles en la centrales térmicas, es necesario hacerle modificaciones innovadoras que redunda en un aumento de la eficiencia térmica.
b) Marco teórico Maquina térmica de Carnot Las máquinas de Carnot son máquinas cíclicas ideales que se han estudiado siempre con asiduidad debido a su relevancia histórica, pero sobre todo porque ayudan a comprender mejor ciertos aspectos importantes de la termodinámica. Estas máquinas constan de dos reservorios de calor a temperaturas T1 y T2>T1, y un sistema auxiliar que se utiliza para extraer calor del reservorio ``caliente'' a T2, transformándolo en trabajo mecánico W y entregando calor sobrante a T1. El gráfico contiguo corresponde a un ciclo completo de una máquina cuyo sistema auxiliar es un gas. 3TA050120131DUED
P
A
T2
B
S=cte C
D T1
V
El primer proceso se inicia en el estado A y consiste de una expansión isotérmica en contacto con el reservorio a T2 hasta llegar al estado B; durante esta expansión se absorbe una cantidad de calor Q2. A continuación se aisla térmicamente el sistema para realizar una expansión adiabática hasta el estado C. Luego se comprime el sistema hasta el estado D, manteniéndolo en contacto con el reservorio a T1, de manera que se entrega al mismo una cantidad de calor Q1. El último proceso de cada ciclo se realiza aislando nuevamente el sistema, compriméndolo hasta retornar al estado inicial A. Es frecuente también representar el ciclo de Carnot en el plano T-S. En este caso el diagrama resulta especialmente simple, ya que ,como hemos dicho, los procesos se realizan a T constante o S constante. El área que encierra el ciclo en este diagrama representa la cantidad neta de calor absorbida por el sistema auxiliar.
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T A
B
T2
T1
D
C
S
De todos modos, debido a que el sistema realiza un ciclo regresando al estado inicial, lo que implica que el área mencionada debe coincidir con la correspondiente a la representación anterior, ya que debe cumplirse .
En cualquiera de estas representaciones puede verse que:
de manera que
El rendimiento de la máquina de Carnot es entonces
El ciclo Brayton El objetivo del ciclo Brayton de turbina de gas es convertir energía en forma de calor en trabajo, por lo cual su rendimiento se expresa en términos de eficiencia térmica. 5TA050120131DUED
A continuación se muestra el ciclo Brayton en su modalidad de ciclo abierto
El funcionamiento de esté se explica a continuación: Las turbinas de gas usualmente operan en un ciclo abierto, como muestra la figura aire fresco en condiciones ambiente se introduce dentro del compresor donde su temperatura y presión se eleva. El aire de alta presión sigue hacia la cámara de combustión donde el combustible se quema a presión constante. Luego los gases de alta temperatura que resultan entran a la turbina, donde se expanden hasta la presión atmosférica, de tal forma que producen potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia fuera (no se recirculan), lo que provoca que el ciclo se clasifique como un ciclo abierto. El ciclo de turbina de gas abierto recién escrito para modelarse como un ciclo cerrado, del modo que se muestra en la figura siguiente, mediante las suposiciones de aire estándar. En este caso los procesos de compresión y expansión permanecen iguales, pero el proceso de combustión se sustituye por un proceso de adición de calor a presión constante de una fuente externa, y el proceso de escape se reemplaza pro uno de rechazo de calor a presión constante hacia el aire ambiente. El ciclo ideal que el fluido de trabajo experimenta en este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, que esta integrado por cuatro proceso internamente reversibles: 1-2 compresión isentrópica (en un compresor) 2-3 Adición de calor a P=constante 3-4 Expansión isentrópica (en una turbina) 4-1 Rechazo de calor a P=constante
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El fluido de trabajo en ciclo cerrado entra al intercambiador de calor de temperatura elevada en el estado1, donde se le agrega energía a un proceso de presión constante, hasta que alcanza la temperatura elevada del estado 2. Entonces, el fluido entra a la turbina y tiene lugar una expansión isentrópica, produciendo cierta potencia. El fluido sale de la turbina al estado 3 y pasa a ser enfriado, en un proceso a presión constante, en el intercambiador de calor de temperatura baja, de donde sale al estado 4, listo para entrar al compresor. Ahí el fluido es comprimido isentrópicamente al estado 1 y el ciclo se repite. DIAGRAMAS P-v Y T-s
En estos diagramas se pueden observar los procesos y estados descritos en el ciclo Brayton.
Análisis Energético del Ciclo Brayton: Para el análisis energético del ciclo Brayton se cosiderara que el fluido de trabajo es solo aire, ya que el flujo de este es mucho mayor que el del combustible.
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() La temperatura de los gases de escape de una turbina en el ciclo Brayton oscila entre los 400ºC y 600ºC.
Ciclo Rankine
El ciclo Rankine es una modificación del ciclo Carnot, esto con el fin de mejorar el sistema térmico corrigiendo los problemas que este produce, entre estas modificaciones están: Primero en el proceso 4-1 se lleva a cabo de manera que el vapor húmedo expandido en la turbina se condense por completo, hasta el estado liquido saturado a la presión de la salida de la turbina. Proceso de compresión 1-2 se realiza ahora mediante una bomba de líquido, que eleva isoentrópicamente la presión del líquido que sale del condensador hasta la presión deseada para el proceso 2-3. Durante el proceso 2-3 se sobrecalienta el fluido hasta una temperatura que es con frecuencia superior a la temperatura crítica. Se considera todas estas modificaciones, para lograr un modelo practico de un ciclo de planta de potencia de vapor, estaremos en presencia del Ciclo Rankine, a continuación se realizará una descripción de los componentes del ciclo y el comportamiento termodinámico registrado en el diagrama Ts:
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El sistema que funciona según este ciclo consta de una caldera, donde el agua (que es el fluido más conveniente por ser abundante y barato) entra a la caldera en 2 como líquido y sale al estado de vapor en 3’. Después de que el vapor saturado sale de la caldera en el estado 3’ pasa a través del sobrecalentador recibiendo energía, incrementado la temperatura del vapor a presión constante hasta el estado 3 (vapor sobrecalentado). Esta temperatura suele estar entre los 350ºC y 700ºC. Luego hay una máquina de expansión (turbina) donde el vapor se expande produciendo trabajo, saliendo en el estado 4. A continuación este vapor entra a un aparato de condensación de donde sale como líquido al estado 1. Este a su vez es tomado por una bomba de inyección necesaria para vencer la presión de la caldera, que lo lleva al estado 2 donde ingresa a la caldera.
Análisis Energético del Ciclo Rankine: Aplicando las ecuaciones de la energía por unidad de masa y régimen estacionario a cada componente por separado se obtiene las expresiones del calor y el trabajo del ciclo Rankine.
Despreciando las variaciones de energía cinética y potencial, la ecuación queda reducida en:
El trabajo isentrópico de la bomba viene dado por:
El valor de h2 se puede obtener mediante la tabla de agua de liquido comprimido disponible. El calor suministrado por unidad de masa es:
El trabajo isentrópico de la turbina es:
El calor cedido en el condensador es:
Las relaciones del calor y trabajo pueden expresarse también referidas a la unidad de tiempo dado por:
̇ ̇ ̇ ̇ 9TA050120131DUED
Después de haber expuesto básicamente el funcionamiento del ciclo Brayton y del ciclo Rankine en lageneracion de potencia, podemos observar que la temperatura de los gases de escape en el ciclo Brayton es elevada, esto quiere decir que se podría aprovechar este poder calorifico para que sirva como fuente a otra maquina térmica cuya máxima temperatura este cerca de los valores de los gases de escape del ciclo Brayton. Esta maquina térmica seria la que opera según el ciclo Rankine.
c) Objetivos
Utilizar la alta temperatura de los gases de escape de la turbina en el ciclo Brayton como fuente de calor para el calentamiento del vapor en un ciclo Rankine. Obtener un ciclo combinado de vapor y gas que sea mas eficiente que cada uno de ellos por separado.
d) J ustificación e importancia Es importante mejorar el desempeño de los dispositivos generadores de potencia que consumen combustible ya que esto genera un gran ahorro económico al usar menos combustible para generar la misma cantidad de potencia. Además al usar menos combustible se reduce la emisión de gases contaminantes.
e) Hipótesis Se sabe que toda maquina térmica que genera potencia t iene una fuente que proporciona calor y un sumidero al cual se desecha calor. Mientras mas alta sea la temperatura a la que se suministra calor o mas baja sea la temperatura a la cual se desecha, mayor será la eficiencia. Si en una central térmica que opera segun el ciclo Rankine aumentamos la temperatura promedio a la cual se suministra el calor aumentaremos la eficiencia. Esto se podría lograr de dos formas: Sobrecalentar el vapor a muy altas temperaturas, pero esto tendría un serio inconveniente, solo se podría elevar la temperatura hasta el máximo soportado por el material. Expandir el vapor en mas de una etapa y recalentarlo entre etapa y etapa.
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Por otro lado se puede combinar el ciclo Brayton con el ciclo Rankine para obtener un ciclo combinado en donde la temperatura de la fuente seria la que alcanzan los gases en la cámara de combustión del ciclo Brayton y la temperatura del sumidero seria la temperatura a la cual se desecha calor en el condensador del ciclo Rankine.
f) Variables Las variables independientes que intervienen en el problema son las temperatura promedio a la cual se suministra y rechaza el calor; asi como también el flujo masico del fluido de trabajo. Mientras que las variables dependientes son la eficiencia térmica y la salida neta de potencia. 11TA050120131DUED
g) Métodos y técnicas de investigación Analizaremos primero la centra de Pisco tal cual como opera ahora, con un ciclo Bryton.
COMBUSTIBLE CAMARA DE 2
COMBUSTION
3
Wneto COMPRESOR
1
TURBINA
AIRE
GASES
FRESCO
DE
4
ESCAPE
En esta central, el compresor y la turbina tienen sus respectivos rendimientos nc y nT respectivamente. En esta central el fluido de trabajo será considerado aire puro, ya que el flujo de este es mayor en relación al flujo de combustible. Conocemos los siguientes parámetros de esta central.
̇
Calcularemos su eficiencia y el consumo de combustible. Para ello calcularemos las propiedades en cada uno de sus estados. Proceso 1-2:
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Proceso 3-4:
Eficiencia térmica:
̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇̇ ̇ [ ] ̇ ̇ ̇ ̇ Analizaremos el ciclo Rankine que se acoplara a este sistema.
CALDERA 3 2 TURBINA
4 BOMBA 1
CONDENSADOR
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De este sistema se conoce los siguientes parámetros:
De las tablas de propiedades podemos encontrar los respectivos valores de algunos estados:
P(kPa) 5.5 7000 7000 5.5
1 2 3 4
T(ºC) 33 430
h(kJ/kg) 136.22 145.19 3235.4 2264.36
s(kJ/kgK) 0.4711 6.5586
Proceso 1-2
Proceso 3-4
Ahora analizaremos el ciclo combinado.
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COMBUSTIBLE CAMARA DE 6
COMBUSTION
7
W1 COMPRESOR
5
TURBINA
AIRE
GASES
FRESCO
DE
8
ESCAPE 9 INTERCAMBIADOR
3 W2
2 TURBINA
4 BOMBA 1
CONDENSADOR
Asumimos que la temperatura de los gases de escape a la salida del intercambiador T9=400K Calcularemos la relación de flujos masicos y la eficiencia de este nuevo ciclo. 1 2 3 4 5 6 7 8 9
T(ºC) 33 36 430
h(kJ/kg) 136.22 145.19 3235.4 2264.36
17 350 1027 530 127
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En intercambiador de calor se cumple:
̇ ̇ ̇ ̇ h) Contrastación y validación de la hipótesis Como acabamos de observar el echo de aprovechar los gases calientes de salida de a turbina Brayton para calentar el vapor aumenta significativamente la eficiencia de la central. Esto se logra gracias a que la temperatura de la fuente ( caldera del ciclo Brayton) es mayor y la temperatura del sumidero ( condensador del ciclo Rankine) es menor.
i) Conclusiones – recomendaciones
Se ha aprovechado el potencial de trabajo alto de los gases de escape para producir potencia mediante una central térmica que opera según el ciclo Rankine. Este nuevo ciclo es el denominado ciclo combinado de gas y vapor y tiene una mayor eficiencia que cada uno de los ciclos por separado. En el ciclo combinado la temperatura a la cual los gases de escape se desechan al ambiente es menor en comparación con la temperatura de desecho en ciclo simple. Esto es conveniente ya que disminuye la contaminación térmica. La relación de flujos masicos es muy pequeña, de tan solo 0.131. Esto quiere decir que con1kg de gas solo se podra calentar 0.131kg de vapor. Es por ello que normalmente se operan este tipo de centrales de tal manera que varias turbinas de gas suministran calor al vapor.
j) Bibliografía • M.J. MORAN y H.N. SHAPIRO, Fundamentos de Termodinámica Técnica, Barcelona, Reverté, 1993, pp. 577 –606. • A. SHAVIT & C. GUTFINGER, Thermodynamics. From concepts to applications, London, Prentice Hall, 1995, pp. 223 –236. • J. M. SEGURA, Termodinámica Técnica, Madrid, AC, 1980, pp. 536–569. • K. WARK, Termodinámica (5ª ed.), Mexico, McGraw-Hill, 1991, pp. 733 –758.
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http://www.che.com/processing_and_handling/reaction_engineering/ChementatorAlgae-based-biodiesel_3692.html http://www.che.com/processing_and_handling/thermal_and_energy_mgmt/fuels/Impro ving-Biodiesel-Processing_5542.html http://www.eicsolutions.com/ogpwb01a/Oil_Gas_Whitepaper.pdf?utm_source=OilGasP etrochemEquip&utm_medium=WebsiteBannerAd&utm_content=01a&utm_campaign= Oil http://www.simulia.com/download/Webinars/Wind_Energy_3-23/ , http://science.nasa.gov/earth-science/big-questions/is-the-global-earthsystem-changingand-what-are-the-consequences/ http://science.nasa.gov/earth-science/focus-areas/water-and-energy-cycle/
k) Anexos TABLAS DE PROPIEDADES.
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19TA050120131DUED
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