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• Erika Daniela

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Ciclo de Generación de Vapor  Turbina de Vapor, balance de energía, masa y entropía. (Turbo-vapor)  La turbina de vapor define el ciclo Rankine de generación  Utiliza vapor de agua a alta presión el cual se expande y como resultado genera movimiento de la turbina con la consecuente producción de trabajo

Ciclo de Generación

https://www.youtube.com/watch?v=IdPTuwKEfmA

Ciclo de Generación de Vapor  Combustibles  Carbón: necesita ser limpiado antes de entrar al horno para facilitar el transporte, reducir emisiones, corrosión y pérdidas de energía. Muchas veces requiere una pulverización para aumentar el área interfacial. Es muy difícil remover el azufre, por lo que genera SOx.  En lo posible es secado para eliminar humedad por medio de energía solar o con el calor que salen de los gases de combustión

Ciclo de Generación de Vapor  Mina de Carbón

Ciclo de Generación de Vapor  Transporte

Ciclo de Generación de Vapor  Petróleo  Se puede utilizar crudo o sus derivados para accionar la turbina de vapor, siempre y cuando se produzca vapor a condiciones de operación de la turbina  El crudo se alimenta al horno o combustor y se produce la combustión  Agua a alta presión atraviesa el combustor y se genera vapor a alta presión

Ciclo de Generación de Vapor  Petróleo

Ciclo de Generación de Vapor  Quemador o Boiler  El quemador necesita gran cantidad de área superficial para calentar el vapor  Se usan tambores para definir el límite entre vapor y líquido  Todas las líneas, tambores, serpentines y unidades están sometidos a grandes pérdidas de calor  Suelen presentar problemas de corrosión y depósito, dependiendo el tipo de agua que se usa  Es difícil el arranque y la parada del equipo

Ciclo de Generación de Boiler Boiler Vapor

ace facearea areafor forheat heattransfer transfer r er ed totodefine sed defineboundary boundary uid uidand andwater watervapour vapour ler iler misisnot notnecessary necessary 600 = 23 – 30 600°C, °C,PPexit exit = 23 – 30

ums umsand andconnections connections d totolarge ed largethermal thermalloads loads d totopotentially ed potentiallycorrosive corrosive gases gases n isisdifficult wn difficult

Medidas que mejoran la Boiler eficiencia Calderoseparate sections for • • Contains principal – Main boiler • Reheat (re –calentameinto Reheat –) Economiser • –Economiser Air preheat • Precalentamie nto de aire

Turbina  Extrae trabajo desde el vapor

 Genera electricidad  Debe estar diseñada para mandejar     

Alta presión Alta temperatura Fuerzas axiales Aislamiento térmico Adiabático

Extract work from the steam Power the generator Must withstand – High pressures – High temperatures – Large axial forces

Torre de Enfriamiento

 El agua caliente fluye hacia el colector principal del distribuidor de agua. A continuación, se distribuye a través de un sistema de tuberías a las boquillas de rocío. Las boquillas dispersan el chorro de agua en los bloques de relleno, formando una película de agua con una gran superficie de contacto. El agua que cae desde los bordes inferiores de los elementos de goteo del relleno, cae en forma de lluvia a la balsa de recogida inferior desde donde es bombeada de nuevo al circuito.

Esquema

https://www.youtube.com/watch?v=Wjy_FLaB3Ac

Sistema de Generación Componentes principales: • Bomba • Caldero • Turbina • Condensador

https://www.youtube.com/watch?v=ouWOhk1INjo

Ciclo Rankine

The Rankine cycle

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 1-2 Aumento de la

Processes: – 1-2: pressure is increased (work in) – 2-3: Heat addition at approximately constant pressure – 3-4: Expansion (work out) presión – 4-1: Heat rejection at approximately constant pressure

 2-3 Adición de calor  3-4 Expansión

 4-1 Salida de calor

Subcooled liquid

Superheated vapour

Análisis del ciclo  Es un proceso que envuelve dos fases: líquido y vapor  No se pueden usar ecuaciones de estado de gas ideal  Se debe usar entalpías y tablas termodinámicas

Balance de energía en los componentes  Flujo continuo  No se genera adición de calor  Se desprecian cambios de energía cinética y potencial

 El trabajo de la bomba es pequeño debido a que los líquidos son incompresibles.

Balance de energía en el caldero  Flujo continuo

 Operación a presión constante  La energía cinética y potencial se desprecian

Balance de Energía en la turbina  Flujo continuo

 La energía cinética y potencial se desprecian  Operación adiabática

 Al maximizar h3 maximizamos el trabajo total (considerar limitaciones técnicas)

 h4 debe ser considerado usualmente con calidad de vapor

Balance de energía en el condensador  No hay salida o entrada de calor

 Ingresa usualmente vapor saturado y abandona líquido enfriado

Eficiencia del Ciclo  Se refiere al porcentaje de calor útil que entrega el sistema

Consumo específico de vapor  Es el consumo específico de vapor por unidad de masa  Se expresa en kg/kWh

 Se define 1kWh es 1kJ/s por 1 hora o 3600s. 1kWh=3600s

Ejemplo  Calcule el trabajo producido, la entrada de calor, la eficiencia del ciclo y el consumo específico de vapor de un ciclo ideal termodinámico Rankine que opera desde 2 Mpa en el caldero y a 10 kPa en el condensador. La temperatura de salida del caldero es 400 C.

Aumento de la eficiencia del ciclo Efficiency improvements

 La eficiencia aumenta cuando:  Aumenta la salida de la temperatura del caldero  Aumenta la presión del caldero  Disminuyendo la temperatura del condensador

Límites del ciclo  Los límites se definen en función de los materiales

 Temperatura y presión mínimas del condensador

Plantas supercríticas  Dadas las condiciones críticas  Sobre esas condiciones no se da una transición clara entre fases  Las plantas supercríticas operan sobre las condiciones críticas de presión

Recalentamiento Reheat  Aumenta el trabajo para un mismo valor de la deforsalida • temperatura Increases work output the samedel Tmax caldero •

Reduces the chances of wet steam in the turbine

 Reduce la presencia de vapor húmedo en la turbina

Análisis de ciclo con recalentamiento  Calor de ingreso

 Salida de trabajo de la turbina

 La eficiencia es:

Calentamiento del agua de alimentación  Se sangra parte del vapor de la turbina para ser inyectado directamente el agua que va a ser alimentada en el caldero  Se controla más fácilmente la temperatura de entrada del agua al caldero y el calor sensible que el agua gana en el caldero. Se aproxima al ciclo Carnot

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Ciclo Rankine y Ciclo Carnot

Steam is bled from the turbine and used to heat the condensate prior to it entering the boiler Boiler therefore adds heat over a smaller temperature range, so that the process more closely approximates a constant temperature heat addition Cycle therefore approaches a Carnot cycle

Carnot cycle

Análisis de ciclo

Alimentación del vapor  El vapor se inyecta directamente en el agua

 Las propiedades del vapor son conocidas entonces:

Operación multietapa M ultistage feed water heating

Real cycles

Ciclos reales • Real cycle processes are:  – Los ciclos reales son: Irreversible  Irreversibles – Has heat losses  Tienen pérdidas de calor – Has frictional losses and pressure drops  Tienen pérdidas por • Where lossesfricción occur: – Piping: heat loss, pressure drops  Las pérdidas se dan en – Boiler: heat loss, pressure drops  Las líneas y tuberías – Turbine: heat loss, frictional losses, KE  Caldero lossto condenser Turbina – Pumps: loss, frictional losses  heat Bomba

Eficiencia isoentrópica en la turbina  Durante el proceso real (irreversible) la entropía debe crecer  Las pérdidas se describen por la eficiencia isoentrópica  Este radio es el trabajo real para el trabajo isoentrópico

Ejemplo  Repita el problema 1 con una eficiencia isoentrópica de 85%

Ciclo real  Una planta de vapor opera con ciclo Rankine según la figura. La turbina opera con eficiencia del 87% y la bomba con eficiencia de 85%. Determine eficiencia (térmica) del ciclo y el poder de salida si tenemos un flujo de vapor de 15kg/s. Calidad de vapor = 80.41%

Diagrama

Solución  Trabajo de la bomba

 Trabajo de la turbina

Solución 

Eficiencia isoentrópica

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El poder del sistema



Sin las irreversibilidades la eficiencia sería 43%

Ciclo recalentado  Considere una planta que opera con ciclo Rankine. El vapor entra a la turbina de alta presión 15 Mpa y 600°C y es condensada hasta 10 kPa. Si la mezcla que sale de la turbina de baja presión no excede el 10.4% (a) La presión a la que el vapor debe ser recalentada (b) La eficiencia térmica del ciclo. Asuma que se recalienta el vapor a la misma temperatura con la que entra a la turbina de alta presión.