Ciclos de Vapor
Introducción
Los
ciclos termodinámicos son la base de la utilización de la energética en donde podemos obtener la extracción de
calor, el aprovechamiento del trabajo útil y exceder el calor residual entre muchas
otras cosas mas
Es
importante estos ciclos ya que se ve el aprovechamiento y la eficiencia de los
equipos a partir de la energía que entregan los gases de la combustión de la caldera el cuál permitirá evaluar al final
un rendimiento total de la planta, dado por el conjunto de varios parciales de
los elementos que conforman el ciclo, tales como la caldera, sobrecalentador,
turbina, bomba y condensador. Y a continuación veremos cada ciclo y se dará una
breve explicación de cada una de ellas
Ciclo de Vapor
Las plantas de potencia de vapor de agua trabajan fundamentalmente con el mismo ciclo básico Rankine, tanto si el suministro de energía viene de la combustión de combustibles fósiles (Carbón, gas o petróleo), como si proviene de un proceso de fisión en un reactor nuclear. El ciclo de vapor de agua se diferencia de los ciclos de potencia de gas debido que en algunas partes de los procesos en el ciclo, se hallan presente tanto la fase liquida como la fase de vapor. Un ciclo de potencia eléctrica moderno a gran escala resulta bastante complicado en cuanto a los flujos de masa y energía. Para simplificar la naturaleza de estos ciclos se estudian en profundidad tomando modelos sencillos. La ventaja que presentan estos modelos es que proporcionan información cualitativa importante sobre la mayoría de los parámetros que afectan al funcionamiento del ciclo en su conjunto, reforzándose con prácticas de laboratorio donde se obtiene experiencias reales de la operación de estos sistemas mejorando la compresión de las plantas de potencia de vapor bajo los principios del ciclo Rankine. En los textos clásicos que existen temas relacionados donde se pueden encontrar análisis más amplios de los ciclos de potencia de vapor.Ciclo Rankie
El Ciclo de Rankine es un modelo
utilizado para determinar la performance de máquinas de vapor. El mismo
consiste en un ciclo termodinámico ideal que convierte la energía térmica en
trabajo mecánico. El calor aportado al sistema es proporcionado por una fuente
externa, en general representado por una caldera, que normalmente utiliza agua
como fluido de trabajo. El ciclo describe el proceso mediante el cual, las
máquinas térmicas basadas en vapor generan la potencia necesaria en las
centrales de generación termoeléctricas.
El Ciclo de Rankine está
compuesto por cuatro procesos delimitados por los estados que atraviesa el
fluido por el mismo:
Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del
fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión
del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el
eje de la misma
Proceso
2-3: Transmisión
de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de
refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido
saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente
sin pérdidas de carga.
Proceso
3-4: Compresión
isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual
implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo
hasta el valor de presión en caldera.
Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a
presión constante en la caldera.
Ciclo
Carnot
El teorema de Carnot establece
que el rendimiento de una máquina térmica es siempre menor o igual que el de
una máquina térmica reversible que opere entre las mismas temperaturas.
Como corolario, el rendimiento de
todas las máquinas térmicas reversibles que operen entre las mismas
temperaturas es el mismo, independientemente del sistema físico que corresponda
a la máquina. Puede ser un gas ideal sometido a compresiones o expansiones,
puede ser un material paramagnético sometido a campos magnéticos variables,
puede ser un sistema bifásico formado por agua y vapor de agua… el resultado es
siempre el mismo.
Este resultado, ya de por sí
bastante contundente, nos permite además calcular el rendimiento máximo que
puede tener una máquina térmica. Nos basta con diseñar una máquina térmica
reversible y hallar su rendimiento. El de todas las demás reversibles será el
mismo, y el de las irreversibles será menor.
Se define ciclo de Carnot como un
proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos
transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la
figura.
Expansión isoterma C→D
El gas se pone en contacto con el
foco caliente a Tc y se expande lentamente. Se extrae trabajo del sistema, lo
que provocaría un enfriamiento a una temperatura ligeramente inferior a Tc, que
es compensado por la entrada de calor Qc desde el baño térmico. Puesto que la
diferencia de temperaturas entre el baño y el gas es siempre diferencial, este
proceso es reversible. De esta manera la temperatura permanece constante. En el
diagrama pV, los puntos de este paso están sobre una hipérbola dada por la ley
de los gases ideales
Expansión adiabática D→AEl gas se aísla térmicamente del
exterior y se continúa expandiendo. Se está realizando un trabajo adicional,
que ya no es compensado por la entrada de calor del exterior. El resultado es
un enfriamiento según una curva dada por la ley de Poisson
Compresión isoterma A→B
Una vez que ha alcanzado la
temperatura del foco frío, el gas vuelve a ponerse en contacto con el exterior
(que ahora es un baño a temperatura Tf). Al comprimirlo el gas tiende a
calentarse ligeramente por encima de la temperatura ambiente, pero la permeabilidad
de las paredes permite evacuar calor al exterior, de forma que la temperatura
permanece constante. Esta paso es de nuevo una hipérbola según la lay de los
gases ideales.
Compresión adiabática B→C
El gas se vuelve a aislar
térmicamente y se sigue comprimiendo. La temperatura sube como consecuencia del
trabajo realizado sobre el gas, que se emplea en aumentar su energía interna.
Los puntos de este camino están unidos por una curva dada por la ley de Poisson
Ciclo
Hirn
El ciclo Hirn es básicamente un
ciclo de Rankine al que se le agrega un sobrecalentamiento, Precalentamiento
del agua de alimentación (después del condensador) con extracciones de vapor de
etapas intermedias de la turbina. Se reduce la cantidad de calor que debe
absorberse en la caldera el consumo de combustible en la caldera, a costa del
trabajo que deja de producir en la TV el vapor parcialmente expandido. Sin
embargo el efecto es positivo (¡menor destrucción de exergía! por menores
diferencias de temperatura). El calor latente de la cantidad de vapor extraída
de la TV permanece en el ciclo al no ser "eliminado" del ciclo por el
agua de refrigeración del condensador La cantidad de calor que se libera en la
parte de baja presión del ciclo (condensador) es más pequeña Las pérdidas a la
salida de la turbina , o si se admiten las mismas pérdidas, es posible el
límite superior de potencia de la turbina, para una velocidad dada, diámetro y
longitud de los álabes de la última etapa En el ciclo de Rankine, el
precalentamiento continuo de toda el agua de alimentación permite teóricamente
obtener la eficiencia de Carnot. La economía debida al recalentamiento se
mejora el número de extracciones de vapor en la TV para el precalentamiento del
agua de alimentación
Emplear contrapresión en la TV cuando sea posible usar el calor para no desperdiciarlo en el condensador (cogeneración)
Emplear contrapresión en la TV cuando sea posible usar el calor para no desperdiciarlo en el condensador (cogeneración)
También podemos encontrar mejoras
que tienen que ver con los recalentamientos o sobrecalentamientos provocando un
rendimiento un poco mayor o repitiendo el ciclo en la salida de la primer
turbina para recalentarla y mandarla a una segunda
¿Qué se logra con el ciclo Hirn?
*Aumento de la presión de
saturación
*Aumento de la temperatura en el
sobrecalentado
*Precalentamiento de agua de
alimentación
*Recalentamiento de vapor
*Precalentamiento de aire de
combustión
Conclusión
Un ciclo Rankine
de potencia ideal consta de una turbina y una bomba isoentrópicas, con
intercambio de calor en una caldera-sobrecalentador y un condensador a presión
constante. El efecto que se consigue al disminuir la presión del condensador es
aumentar el calor suministrado, el trabajo de salida, el rendimiento térmico y
el contenido en humedad a la salida de la turbina.
El ciclo hirn es
prácticamente el ciclo rankie solo que se le agrega un sobrecalentamiento del
agua de alimentación y el ciclo Carnot Se
define como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que
consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas,
Bibliografía
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