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Alexánder Gómez

Termodinámica TécnicaFundamentos

Bogotá, D.C., 2011

Capítulo 7.: Ciclos de generación de potencia con turbinas de vapor

7.0 Introducción7.1 Ciclos Clausius-Rankine ideal y real7.2 Análisis termodinámico del ciclo Clausius-Rankine7.3 Optimización térmica del ciclo Clausius-Rankine7.3.1 Aumento de presión en el generador de vapor7.3.2 Sobrecalentamiento7.3.3 Recalentamiento7.3.4 Regeneración (precalentamiento del agua de alimentación)7.3.5 Disminución de presión en el condensador7.3.6 Cogeneración de energía térmica y potencia7.4 Ciclo combinado con turbinas de gas y vapor7.5 Resumen

Contenido

7.0 Introducción

Clasificación según sus aplicaciones

Calentamiento y enfriamiento

Generación de potencia

Clasificación según las sustancias de trabajo

Operación con vaporOperación con gas

7.0 Introducción

Generación de potencia

Combustión externaCombustión interna

Operación con gas Operación con vapor

MotoresTurbinas

Joule-Brayton

Motores Turbinas

Stirling Clausius-Rankine

Seiligero dual

Otto Diesel

Motores de combustión Motores térmicos

7.0 Introducción

P

T 0

P

V

T

1

2

q 1-2 =q ent

34

q =0q = 0

q 3-4 =q sal

a b cd

qent=T (s2-s1)

qsal=T0 (s2-s1)

Ciclo de Carnot de potencia para gases (giro derecho)

7.0 Introducción

Ciclo de Carnot de potencia (con cambio de fase)

qent=T(s2-s1)

qsal=T0(s2-s1)

7.0 Introducción

¿Por qué no se utiliza el ciclo de Carnot en aplicaciones termodinámicas técnicas como la generación de potencia?

ProblemaProblema

7.0 Introducción

7.0 Introducción

Proceso Clausius-Rankine para la transformación de energía

7.0 Introducción

Planta de generación termoeléctrica con ciclo Clausius - Rankine

Sistema de combustión

Proceso Clausius-Rankine

Sistema de enfriamiento

Sistema de generación eléctrica

7.0 Introducción


7.0 Introducción

¿ Cuáles son las diferencias técnicas relevantes entre los ciclos de generación de potencia con vapor y con gas a través de turbinas ?

Ciclo Clausius-Rankine ideal Ciclo Joule-Brayton ideal

34

1

2

2 3

41

7.0 Introducción

En los sistemas de potencia operando con gas:• La sustancia de trabajo no cambia de fase (permanece

como gas).

• Se utilizan altas temperaturas y presiones para la generación de potencia.

• Se llevan a cabo procesos de combustión interna.

• Se puede hacer uso de sistemas compactos con relaciones peso / potencia bajos, que facilitan su uso en aplicaciones móviles (transporte).

7.0 IntroducciónVentajas del agua en el ciclo Clausius-Rankine:

• El cambio de fase de líquido a vapor permite almacenar energía térmica de manera óptima.

• El vapor se expande como gas, pero se comprime como un líquido y el consumo de potencia para la compresión es mínimo (comparado con un gas, por ejemplo).

• Disponibilidad y costos adecuados y manejo técnico simple.

Desventajas del agua en el ciclo Clausius- Rankine:

• Baja temperatura crítica (374 °C)

7.0 Introducción


34

1

2

Turbina

Condensador

Bomba

Caldera

7.1 Ciclos Clausius-Rankine ideal y real

34

1

2


wsale

qsale

wentra

qentra

34

1

2


• Irreversibilidades en la bomba y la turbina• Fricción: caída de presión en la caldera, el condensador y tuberías.• Disipación de calor: para obtener la misma salida neta de trabajo se

debe transferir más calor en el generador de vapor.

T

s3

4

1

2

Ciclo real

Irrev. bomba

Caída de presión en el condensador

Caída de presión en la caldera

Irrev. turbina

T

3

4

1

2s

4s

2s

7.1 Ciclos Clausius-Rankine ideal y real• Inicialmente se realiza el análisis por la primera ley a cada uno de los

componentes del ciclo.

• Se tienen sistemas abiertos con flujo estable y en estado estacionario.

• Los cambios en las energías cinética y potencial del fluido son despreciables.

• Las pérdidas de presión en la caldera y el condensador se consideran despreciables.

• La bomba y la turbina son considerados como equipos isoentrópicos.

• Publicaciones especializadas permiten profundizar en el estudio de estos sistemas técnicos [1, 2, 3, 4].

7.2 Análisis termodinámico del Ciclo Clausius-Rankine

( )2112,sal hhmW −=− &&

( )4141,ent hhmQ −= &&

( )3434,ent hhmW −= &&

( )3223,sal hhmQ −=− &&

∑∑ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++++=

••••

ss

2s

sse

e

2e

eeT 2v

2v0 gzhmgzhmWQ

rr

Primera ley de la termodinámica para sistemas abiertos estacionarios:

34

1

2


Balance de energía de ciclos en estado estacionario:

0sistemasalidaentrada =

ΔΔ

=−∑∑ tEEE &&

0salentsalent =−+− wwqq &&&&

bombaent,turbinasal,rcondensadosal,calderaent, wwqq &&&& −=−


Para un ciclo de potencia Clausius-Rankine:

Utilidad: trabajo neto de salida

Requerimientos: calor de entrada (caldera)

ent

sal

ent

salent

ent

bombaturbinaCRth, 1

qq

qqq

qww

&

&

&

&&

&

&&−=

−=

−=η

ntosrequerimieutilidad

th =η


En ciclos de potencia con vapor:

14

32

ent

sal

ent

salent

ent

bombaturbinaCRth, 11

hhhh

qq

qqq

qww

−−

−=−=−

=−

=&

&

&

&&

&

&&η

ent

turbinaCRth, q

w≈η

turbinabomba ww && <<<


wsale

qsale

wentra

qentra

34

1

2

ent

turbinaCRth, q

w≈η


rev.) (proc.Tqds δ

=

41

41

41

41,entm,41 ss

hhdsq

T−−

==δ

41,m

condCRth, 1

TT

−=η

wsale

qsale

wentra

qentra

TT

01C −=η cond230 TTT ==

41,mTT =

Tm,41

Tcond

Temperatura media de transferencia de calor al ciclo Clausius-Rankine

7.2 Análisis termodinámico del ciclo Clausius-Rankine

( )teóricos12,Ts21 whh =−

( )real12,T21 whh =−

Isoentrópico:

Real:

T

4

1

2s

4s

2s

3


wsale

qsale

wentra

qentra

1’

2’

p1

p2

2r

Diagrama de Mollier: h-s


Eficiencia isoentrópica (s):

s21

'21turbs,

teóricos12,T

real'12,Tturbs, )(

)(

hhhh

ww

−−

=

=

η

η

Diagrama de Mollier: h-s

s

¿Cómo puede incrementarse la eficiencia térmica ηth del ciclo Clausius-Rankine?

entm,

cond

ent

salCRth, 11

TT

qq

−=−=η

Aumentar el flujo de transferencia de calor al fluido en el generador

de vapor

Disminuir el flujo de calor rechazado en el condensador de

vapor

Disminución de la presión en el condensador

Sobrecalenta-miento del

vapor

Incremento de la presión en el generador

7.3 Optimización térmica del ciclo Clausius-Rankine

7.3.1 Aumento de presión en el generador de vapor

• Disminución en wneto(área 122’a)

• Aumento de la humedad en 2’

Incremento en la presión de caldera

p >2 p1

4’

2’

p2

Incremento de la presión en el generador de vapor

1’

a

• Aumento de la temperatura media Tm,ent del ciclo

• Aumento en wneto (área 44’1’a)

7.3.2 Sobrecalentamiento del vapor en el generador

1’

2’

p1

p2


• Aumento en wneto (área 11’2’2)• Incremento de calidad del vapor

en 2’

• Mayor requerimiento tecnológico (generador vapor)

• Mayor consumo de energía térmica

Sobrecalentamiento del vapor en el generador

7.3.3 Recalentamiento del vapor en el generador

)()( 3412t hhhhw −+−=−

)()( 2361ent hhhhq −+−=

2

Recalentamiento del vapor

7.3.3 Recalentamiento del vapor en el generador

Una etapa de recalentamiento aumenta la ηth entre 4 al 5 %


• Aumento en wneto (área 1’344’)• Aumenta calidad del vapor en 4

• Mayor requerimiento tecnológico (generador vapor)

• Puede requerirse mayor consumo de energía térmica

Recalentamiento del vapor en el generador

ciclo max.optimarec, 4/1 pp ≈

7.3.4 Regeneración: precalentamiento del agua

5

26

7

Regeneración: precalentamiento del agua de alimentación del generador de vapor con mezclador abierto


5

26

7


• Menor consumo de energía térmica (o combustibles)

• Mayor requerimiento tecnológico (mezclador)

Regeneración: precalentador abierto del agua de alimentación


4

1

3

5

2

y 1-y

6

8

7

267

8

Regeneración: precalentamiento del agua de alimentación del generador de vapor con intercambiador cerrado y válvula de expansión




• Mayor requerimiento tecnológico (regeneración)

Regeneración: calentador cerrado y válvula de estrangulación

267

8


26 78

Regeneración: precalentamiento del agua de alimentación del generador de vapor con intercambiadores cerrado y abierto y bomba

78

6

9

9


26 78



• Mayor requerimiento tecnológico

Regeneración: precalentadores cerrado, abierto y bomba de agua

9

7.3.5 Disminución de la presión en el condensador• Aumento de la potencia

entregada por la turbina• Disminución del calor disipado

en el condensador

• Aumento del calor requerido (área debajo de 4’4)

• Aumento de trabajo requerido en la bomba (3’-4’)

• Filtraciones de aire en el condensador (cuando p < patm)

• Disminución de la calidad en 2´

Disminución en la presión del condensador

p <2 p1

2’3’

4’ p2

Disminución de la presión en el condensador

7.3.6 Cogeneración de energía térmica y potencia

Generación de energía térmica para procesos

Cogeneración de energía térmica para procesos y potencia

ent

procesonetoCRcog, Q

QW&

&& +=η

34

1

salq&Calentador de

proceso salq&

ent

procesoQ th, Q

Q&

&=η

7.3.6 Cogeneración de energía térmica y potencia

)( 343ent hhmQ −= &&

)( 717sal hhmQ −=− &&

886655proceso hmhmhmQ &&&& −+=

)()( 747646t hhmhhmW −+−=− &&&

12

4

7

5

3 8salq&

6

Cogeneración de energía térmica para procesos y potencia

proc

7.4 Ciclo combinado con turbinas de gas y vapor

2 3

41

5 6

78

Proceso Joule-Brayton

Proceso Clausius-Rankine

Caldera recuperadora

7.5 Resumen

• Los ciclos Clausius-Rankine se utilizan para la generación de potencia por medio de turbinas de vapor de agua. Estos ciclos están compuestos por cuatro procesos principales: generación de vapor de agua a presiones elevadas; expansión del vapor de agua en la turbina; condensación del vapor y bombeo del agua para alcanzar la presión del generador de vapor.

• La eficiencia térmica de estos ciclos depende de los valores de la temperatura media del proceso de entrega de calor al fluido de trabajo y de la temperatura a la que ocurre la condensación. Esta última está determinada por la presión de trabajo en el condensador, que normalmente es menor a la presión atmosférica.

• La temperatura media del proceso de entrega de calor al fluido de trabajo puede determinarse mediante la relación entre el cambio de entalpía y el cambio de entropía del vapor de agua entre las condiciones de entrada y de salida del generador de vapor.

7.5 Resumen

• La temperatura media de entrega de calor al fluido de trabajo en los ciclos Clausius-Rankine puede incrementarse por medio del precalentamiento del agua de alimentación al generador de vapor; mediante el sobrecalentamiento y el recalentamiento del vapor deagua, principalmente. Estas medidas permiten mejorar la eficiencia térmica de estos ciclos.

• La cogeneración de potencia y de calor (energía térmica) para procesos permite incrementar la eficiencia térmica de los ciclos Clausius- Rankine.

• El uso de ciclos combinados de generación de potencia a través de los sistemas Joule-Brayton y Clausiues-Rankine permite alcanzar los niveles más altos de eficiencia térmica en los sistemas térmicos de generación de potencia.

Bibliografía

[1] Traupel, W.: Thermische Turbomaschinen, Vol. 1.; 3. edición. Berlin: Springer, 1977.

[2] Wagenbreth, O.; Duentzsch H.; Gisseler, A. Die Geschichte der Dampfmaschine. Aschendorf, 2002.

[3] Kam, W.; Priddy, P.: Power Plant System Design. New York: John Wiley & Sons, 1985.

[4] Babock & Wilkox Co.: Steam. Its generation and use. 38. edición; New York, 1975.

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Alexánder Gómez

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