UNIDAD 5 CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA Carrera: Ing. Eléctrica. Asignatura.: Mecánica de fluidos y Electromagnetismo. Profesor: Ing. Elio Álvarez Antonio. Alumnos: Cámara Reyes Josué. Espinosa Méndez Víctor Hugo López Larios Humberto Baldemar Marín Adán Alejandro Platas Libreros Brandon
Grado: 3° Grupo: “C”
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INDICE .................................................................................................................................... 2 INTRODUCCIÓN...................................................................................................................... 3 5.1 RENDIMIENTO DE LA CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA. ............................................. 4 Bibliografía .............................................................................................................................. 4
5.2 trabajo expandido al expandir vapor por una turbina. .................... 5 Bibliografía .............................................................................................................................. 6
5.3 CICLO DE RANKINE SENCILLO Y CON RECALENTAMIENT0. .................................. 7 Bibliografía ............................................................................................................................ 12
5.4 CICLO DE RANKINE CON REGENERACIÓN. .............................................................. 13 Bibliografía ............................................................................................................................ 14
5.5 TURBINA CON GAS CON CICLO ABIERTO. ............................................................... 15 Bibliografía ............................................................................................................................ 15
5.6 CONVERSIÓN MAGNETOHIDRODINÁMICA ............................................................... 16 Bibliografía ............................................................................................................................ 16
Conclusión ........................................................................................................................ 17
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En todo el mundo se reconoce que disponer de energía es vital para el mantenimiento y desarrollo de lo que entendemos por “civilización”. Aún desde los albores del progreso humano, miles de años atrás, fue necesario consumir -y por lo tanto producir- energía. El manejo de la energía fue realizado intuitiva pero exitosamente por nuestros antepasados y recién a partir del siglo XVII se inició el lento camino zigzagueante pero definitivo hacia establecer con precisión la propiedad clave de la energía: su conservación. Desde entonces, esta ley de conservación se ha constituido en uno de los principios fundamentales, inviolables, de nuestra descripción de los procesos del mundo físico. El concepto de energía y su conservación (Primera Ley de la Termodinámica) es particularmente útil cuando se analiza la conversión de la energía de una forma a otra. Formas comunes de energía que están presentes en la vida diaria son: calor (asociado con la temperatura), mecánica (aso- ciada con el movimiento), eléctrica, química (reacciones entre substancias), radiación electromagnética (solar, microondas, rayos X), nuclear (fisión en los reactores nucleares y fusión en el sol) y por supuesto la almacenada en los alimentos. La conversión de cualquier forma de energía en otra se puede realizar utilizando dispositivos adecuados. Por ejemplo, la energía mecánica es muy versátil y se puede transformar totalmente en calor por medio de la fricción, en energía eléctrica a través de generadores, o bien en cualquier otra forma de energía. El calor, o energía térmica, se convierte en energía eléctrica en las grandes plantas de potencia que están diseminadas por todo el mundo. La energía eléctrica es también muy versátil: puede ser totalmente convertida en energía mecánica por medio de un motor eléctrico, en calor a través de una resistencia eléctrica, en energía electroquímica cargando una batería de automóvil o en radiación electro- magnética en un horno de microondas. La energía nuclear se transforma en energía eléctrica en los cientos de reactores nuclea- res diseminados por el mundo y a partir de ello en cualquier otra forma de energía. La energía química puede ser transformada en calor mediante la combustión de materiales (oxidación) o directamente en electricidad a través de dispositivos electroquímicos. Por ejemplo, dentro de una celda de combustible el hidrógeno reacciona en forma controlada no explosiva con el oxígeno formando agua y simultáneamente generando energía eléctrica. La energía de la radiación solar (radiación electromagnética, fotones) se puede convertir directamente en calor o bien en energía química vital para la biosfera a través del fenómeno de fotosíntesis. En las celdas fotovoltaicas la energía de los fotones es convertida directamente en electricidad. La energía almacenada en los alimentos puede ser tomada como una forma de energía química pero su conversión en una gran variedad de formas asociadas con todas las actividades del mundo biológico la hacen especial; el mantenimiento de la vida en todas sus variantes requiere el flujo constante de la energía provista por los alimentos.
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El desempeño o eficiencia se expresa en términos de la salida deseada y la entrada requerida de la siguiente manera: Salida deseada Desempeño= ---------------------Salida requerida El poder calorífico del combustible que es la cantidad de calor liberado cuando se quema por completo una cantidad unitaria de combustible y los productos de la combustión se enfrían a la temperatura ambiente. Entonces el rendimiento del equipo de combustión se puede caracterizar por la eficiencia de combustión, la cual se define como: Q Cantidad de calor liberado durante la combustión Combustión= ----------= ---------------------------------------------------------------------HV poder calorífico del combustible quemado Una eficiencia de combustión de 10 por ciento indica que el combustible se quema completamente y los gases residuales salen de la cámara de combustión a temperatura ambiente; en consecuencia, la cantidad de calor liberado durante el proceso de combustión es igual al poder calorífico del combustible. El poder calorífico de un combustible será diferente dependiendo de si el agua en los productos de combustión se halla en forma líquida o vapor. El poder calorífico se denomina poder calorífico inferior cuando el agua está en forma de vapor y poder calorífico superior cuando el agua en los gases de combustión se condensa por completo, de manera que también se recupera el calor de vaporización. Para los motores de automóvil la salida de trabajo se entiende como la potencia entregada por el cigüeñal, pero para las centrales eléctricas el trabajo producido puede ser la potencia mecánica en la salida de una turbina, o la salida de potencia eléctrica de un generador.
Bibliografía http://www.buenastareas.com/ensayos/Conversion-De-Energia/6492757.html . (s.f.).
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Una máquina térmica es aquella que provee de trabajo eficaz gracias la diferencia de temperaturas entre dos cuerpos. Dado que cualquier máquina termodinámica requiere una diferencia de temperatura, se deriva pues que ningún trabajo útil puede extraerse de un sistema aislado en equilibrio térmico, esto es, se requerirá de la alimentación de energía del exterior. Es una central en la que la energía térmica del combustible es transformada en electricidad mediante dos ciclos termodinámicos: el correspondiente a una turbina de gas (ciclo Brayton) y el convencional de agua/turbina vapor (ciclo Rankine). La turbina de gas consta de un compresor de aire, una cámara de combustión y la cámara de expansión. El compresor comprime el aire a alta presión para mezclarlo posteriormente en la cámara de combustión con el gas. En esta cámara se produce la combustión del combustible en unas condiciones de temperatura y presión que permiten mejorar el rendimiento del proceso, con el menor impacto ambiental posible. Los gases de combustión se conducen hasta la turbina de gas para su expansión. La energía se transforma, a través de los álabes, en energía mecánica de rotación que se transmite a su eje. Parte de esta potencia es consumida en arrastrar el compresor y el resto mueve el generador eléctrico, que está acoplado a la turbina de gas para la producción de electricidad. El rendimiento de la turbina aumenta con la temperatura de entrada de los gases, que alcanzan unos 1.300 º C, y que salen de la última etapa de expansión en la turbina a unos 600 º C. Por tanto, para aprovechar la energía que todavía tienen, se conducen a la caldera de recuperación para su utilización. La caldera de recuperación tiene los mismos componentes que una caldera convencional, y, en ella, los gases de escape de la turbina de gas transfieren su energía a un fluido, que en este caso es el agua, que circula por el interior de los tubos para su transformación en vapor de agua. A partir de este momento se pasa a un ciclo convencional de vapor/agua. Por consiguiente, este vapor se expande en una turbina de vapor que acciona, a través de su eje, el rotor de un generador eléctrico que, a su vez, transforma la energía mecánica rotatoria en electricidad de media tensión y alta intensidad. A fin de disminuir las pérdidas de transporte, al igual que ocurre con la electricidad producida en el generador de la turbina de gas, se eleva su tensión en los
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transformadores , para ser llevada a la red general mediante las líneas de transporte. . El vapor saliente de la turbina pasa al condensador para su licuación mediante agua fría que proviene de un río o del mar. El agua de refrigeración se devuelve posteriormente a su origen, río o mar (ciclo abierto), o se hace pasar a través de torres de refrigeración para su enfriamiento, en el caso de ser un sistema de ciclo cerrado.
Conviene señalar que el desarrollo actual de esta tecnología tiende a acoplar las turbinas de gas y de vapor al mismo eje, accionando así conjuntamente el mismo generador eléctrico.
Bibliografía http://www.buenastareas.com/ensayos/Trabajo-Producido-Al-Expandir-Vapor-En/46950765.html . (s.f.).
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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. Proceso: El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor.
Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (si bien existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en
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los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo. Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera. Existen también centrales alimentadas mediante energía solar térmica (centrales termo solares), en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores cilindro-parabólicos o un sistema de helióstatos y torre. Además este tipo de centrales poseen un sistema de almacenamiento térmico, habitualmente de sales fundidas. El resto del ciclo, así como de los equipos que lo implementan, serían los mismos que se utilizan en una central térmica de vapor convencional. 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 líquido 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 isotrópicamente 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.
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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:
El sistema que funciona (ver figuras 1.2) 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 satu rado 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). 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.
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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 se puede obtener mediante la tabla de agua de líquido comprimido disponible. Otro método apropiado y con resultados más exacto para el cálculo del trabajo isentrópico en la bomba, consiste en utilizar la ecuación del trabajo en régimen estacionario, dada por:
Siendo el volumen especifico del líquido saturado en el estado 1. 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:
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Siendo el flujo másico de vapor que atraviesa el dispositivo El rendimiento térmico de un ciclo de Rankine ideal puede escribirse entonces como:
El rendimiento térmico también puede expresarse de forma alternativa como:
El balance de energía aplicado al volumen de control situado alrededor del condensador (ver figura 1.3) se reduce a:
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Variables: Potencia térmica de entrada (energía por unidad de tiempo) Caudal másico (masa por unidad de tiempo) Potencia mecánica suministrada o absorbida (energía por unidad de tiempo) Rendimiento térmico del ciclo (relación entre la potencia generada por el ciclo y la potencia térmica suministrada en la caldera, adimensional) , ,
Entalpías específicas de los estados principales del ciclo ,
Bibliografía http://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/tema-1-ciclo-de-vapor.pdf . (s.f.).
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En un calentador cerrado no se mezclan las corrientes que entran. El agua de alimentación circula por el interior de los tubos que pasan por el calentador y el vapor extraído de la turbina para precalentar el agua, se condensa sobre los tubos.
En el caso ideal, se supone que el agua de alimentación proveniente del condensador sale del calentador como líquido comprimido a la misma temperatura que el vapor de agua extraído que ha condensado (ver figura 1.11). La particularidad de los calentadores cerrados es que las 2 corrientes que atraviesan el calentador no están en contacto directo por lo que sus presiones pueden ser distintas. A continuación en la figura 1.12, se presentan dos arreglos de calentadores cerrados de agua de alimentación: a) Bombeo directo del vapor condesado a la línea del agua de alimentación de la caldera, b) Atrapa (por estrangulamiento) el vapor condensado y lo lleva a una zona de menor presión de la línea de agua de alimentación.
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Para cualquiera de los arreglos de los calentadores cerrados, el balance de energía en régimen estacionario se supone que el calentador está aislado térmicamente y que las variaciones de la energía cinética y potencial de las corrientes son despreciables. Téngase en cuenta que los valores de ecuación no son iguales.
en esta
Bibliografía http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Rankine. (s.f.).
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El modelo termodinámico de las turbinas de gas se fundamenta en el ciclo de Brayton, a pesar de que se generaliza como ciclo termodinámico, en realidad el fluido de trabajo no cumple un ciclo completo en las turbinas de gas ya que este finaliza en un estado diferente al que tenía cuando inició los procesos, se podría decir que es un ciclo abierto. Las turbinas de gas de ciclo abierto simple utilizan una cámara de combustión interna para suministrar calor al fluido de trabajo y las turbinas de gas de ciclo cerrado simple utilizan un proceso de transferencia para agregar o remover calor del fluido de trabajo.
Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en el principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión se le permite expandirse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo.
Bibliografía http://www.monografias.com/trabajos/turbinagas/turbinagas.shtml#ixzz3L58XlLFf . (s.f.).
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Cuando un conductor transporta una corriente en el interior de una región donde hay un campo magnético, este efectúa sobre el conductor una fuerza que es igual a la suma de las fuerzas magnéticas sobre las partículas cargadas que producen la corriente. La Magnetohidrodinamica cubre todos los dominios donde un fluido conductor de la electricidad, el campo magnético y el campo de la velocidad están acoplados. Este acoplamiento es debido a la interacción entre dos disciplinas que son el electromagnetismo y la hidrodinámica.
Bibliografía http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/6280/13anex_1.pdf?sequence=13 . (s.f.).
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En esta Unidad 5 lo primero que pudimos observar fue lo que es la conversión de la energía, por ejemplo, la energía mecánica es muy versátil y se puede transformar totalmente en calor por medio de la fricción, en energía eléctrica a través de generadores, o bien en cualquier otra forma de energía. También observamos durante esta unidad diferentes temas relacionados ala conversión de energía, como lo es el Rendimiento de la conversión de la energía, el Trabajo expandido al expandir vapor por una turbina, el ciclo Rankine sencillo y con recalentamiento, Ciclo Rankine con regeneración, Turbina con gas con ciclo abierto, para finalizar la unidad observamos el tema de Conversión magneto hidrodinámica. Todos estos fueron temas muy interesantes sobre la conversión de Energía, como lo es el ciclo de Rankine ,Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia.
Bibliografía General. http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Rankine . (s.f.). http://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/tema-1-ciclo-de-vapor.pdf . (s.f.).
http://www.buenastareas.com/ensayos/Conversion-De-Energia/6492757.html . (s.f.). http://www.buenastareas.com/ensayos/Trabajo-Producido-Al-Expandir-VaporEn/46950765.html . (s.f.). http://www.monografias.com/trabajos/turbinagas/turbinagas.shtml#ixzz3L58XlLFf . (s.f.). http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/6280/13anex_1.pdf?sequence=13 . (s.f.).
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