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• Javier Rincon Quintero

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Ciclo Rankine Regenerativo Consiste en extraer parte del vapor expandido en la turbina y utilizarlo para suministrar calor al fluido de trabajo mediante calentadores, aumentado su temperatura antes de pasar por la fuente principal de calor (Caldera), a una presión determinada. Existen dos tipos de calentadores uno denominado calentador abierto o de contacto directo y el calentador cerrado o cambiador de calor de carcasa y tubos.

Un examen cuidadoso del diagrama T-s del ciclo Rankine dibujado en la figura 10-14 revela que el calor se transfiere al fluido de trabajo durante el proceso 2-2′ a una temperatura relativamente baja. Esto reduce la temperatura promedio a la que se añade el calor y por consiguiente la eficiencia del ciclo. Para remediar esta deficiencia, busquemos la manera de elevar la temperatura del líquido que sale de la bomba (llamado agua de alimentación) antes de que entre a la caldera. Una posibilidad es transferir calor al agua de

alimentación del vapor de expansión en un intercambiador de calor a contraflujo integrado a la turbina, esto es, utilizar regeneración. Sin embargo, esta solución es impráctica debido a que es difícil diseñar tal intercambiador de calor porque incrementaría el contenido de humedad del vapor en las etapas finales de la turbina. Un proceso de regeneración práctico en las centrales eléctricas de vapor se logra con la extracción o drenado o purga del vapor de la turbina en diversos puntos. Este vapor, que podría producir más trabajo si se expandiera aún más en la turbina, se utiliza en cambio para calentar el agua de alimentación. El dispositivo donde el agua de alimentación se calienta mediante regeneración se llama regenerador o calentador de aguade alimentación (CAA) .La regeneración no sólo mejora la eficiencia del ciclo, también proporciona un medio conveniente de desairear el agua de alimentación (al eliminar el aire que se filtra al condensador) para evitar la corrosión en la caldera. Asimismo, ayuda a controlar el gran flujo volumétrico del vapor en las etapas finales de la turbina (debido a los grandes volúmenes específicos a bajas presiones). Por consiguiente, la regeneración se utiliza en todas las centrales eléctricas de vapor modernas desde su introducción a principios de la década de 1920.Un calentador del agua de alimentación es un intercambiador de calor donde éste se transfiere del vapor al agua de alimentación mediante la mezcla de ambos flujos de fluido (calentadores de agua de alimentación abiertos) o sin mezclarlos (Calentadores de agua de alimentación cerrados). (Cengel 7 edición)

Calentadores abiertos de agua de alimentación

Un calentador abierto de agua de alimentación (o de contacto directo) es básicamente una cámara de mezclado en la que el vapor extraído de la turbina se mezcla con el agua de alimentación que sale de la bomba. Idealmente, la mezcla sale del calentador como líquido saturado a la presión del calentador. En un ciclo Rankine ideal regenerativo, el vapor entra a la turbina a la presión de la caldera (estado 5) y se expande isentrópicamente hasta una presión intermedia (esta do 6). Se extrae un poco de vapor en este estado y se envía al calentador de agua de alimentación, mientras el vapor restante continúa su expansión isentrópica hasta la presión del condensador (estado 7). Este vapor sale del condensador como líquido saturado a la presión del condensador (estado 1). El agua condensada, que también es llama da agua de alimentación, entra después a una bomba isentrópica, donde se comprime hasta la presión del calentador del agua de alimentación (estado 2) y se envía al calentador de agua de alimentación, donde se mezcla con el vapor extraído de la turbina. La fracción del vapor extraído es tal que la mezcla sale del calentador como líquido saturado a la presión del calentador (estado 3). Una segunda bomba eleva la presión del agua hasta la presión de la caldera (estado 4). El ciclo se completa con el calentamiento del agua en la caldera hasta el estado de entrada de la turbina (estado 5). Calentadores cerrados de agua de alimentación Otro tipo de calentador de agua de alimentación frecuentemente utilizado en las centrales eléctricas de vapor es el calentador cerrado de agua de alimentación, en el cual el calor se transfiere del vapor extraído hacia el agua de alimentación sin que suceda ninguna mezcla. Los dos flujos pueden estar a presiones diferentes, puesto que no se mezclan.

En un calentador cerrado de agua de alimentación ideal el agua de alimentación se calienta hasta la temperatura de salida del vapor extraído, que idealmente sale del calentador como líquido saturado a la presión de extracción. Anexo información

Algunas condiciones de presión y temperatura (libro del 2006) Las turbinas de vapor que operan con recalentadores y también con regeneradores son los dispositivos productores de potencia más eficientes disponibles, para grandes demandas de potencia. También se pueden realizar más mejoras en eficiencias termodinámicas con mayores presiones y temperaturas del vapor sobrecalentado pero, naturalmente, Las propiedades de los materiales establecen un límite superior a ese respecto. Los límites superiores para operaciones continuas parecen estar con presiones alrededor de 8000 kPa (1200 psia) y temperaturas de 650°C (1200°F). En los diseños más modernos se consideran Siempre mayores temperaturas y presiones, pero en general se compromete bastante la seguridad Uno de los aspectos más atractivos del ciclo con turbina de vapor es su independencia de la fuente de energía térmica. Mientras que los motores de combustión interna dependen, en forma crítica, de su medio de trabajo (requieren un combustible muy refinado), la turbina de vapor solo requiere energía para hacer hervir el agua. Esta energía puede provenir de la combustión del carbón, petróleo o gas natural; de los gases de escape a altas temperaturas de alguna otra máquina; de energía solar; o de reactores nucleares. Además de la unidad generadora de vapor, hay pocas, si es que las hay, alteraciones de diseño necesarias para adaptarse a estas diversas fuentes de calor. Podemos ver que el ciclo de la turbina de vapor se adapta bien para convertir energía térmica en energía mecánica.

Las tecnologías actuales de los ciclos de turbina de vapor con quemado de carbón alcanzan eficiencias del orden de 30 a 35%, menor que la que se obtiene en un análisis de ciclo ideal. Con el uso de calderas de carbón pulverizado más eficientes, lavadores de gas y otros dispositivos para reducir los óxidos de nitrógeno y dióxidos de azufre, se han alcanzado eficiencias alrededor de 45%, y ese parece el límite para la tecnología más avanzada. Las eficiencias mayores parecen muy posibles y prácticas, y continuamente se estudian métodos para alcanzarlas. Esto no solo promete económicamente, sino también en lo concerniente a los impactos negativos sobre el ambiente natural. En otras palabras, reducir la contaminación térmica, química y biológica es bueno para el ambiente y para las empresas. (Termodinámica Sexta Edición Kurt C. Rolle) -------------------------------------------------------------------------------------------------------------Características del fluido de trabajo. El agua es el fluido de trabajo utilizado más frecuentemente en las instalaciones de potencia con vapor debido a que es abundante, barata, no toxica, químicamente estable y relativamente no corrosiva. Además, el agua tiene un cambio de entalpia especifica grande cuando se vaporiza a presiones ordinarias en el generador de vapor, lo que permite reducir el flujo másico para una potencia neta dada del ciclo. Las propiedades del agua líquida y del vapor de agua también son tales que las relaciones de trabajos obtenidas son muy pequeñas y las técnicas de recalentamiento y regeneración son eficaces para mejorar el rendimiento térmico de la central. El agua es menos satisfactoria que algunos otros fluidos de trabajo respecto a otras características. Por ejemplo, la temperatura crítica del agua es solamente 374,14°C, que es aproximadamente 225°C inferior a la temperatura máxima permitida en la entrada de la turbina. Por consiguiente, para alcanzar una temperatura media de absorción de calor alta y

consecuentemente obtener un rendimiento térmico elevado, puede ser necesario que el generador de vapor opere a presiones supercríticas. Esto requiere costosas tuberías y tubos de intercambio de calor capaces de soportar grandes presiones. Otra característica indeseable del agua es que su presión de saturación a la temperatura normal del condensador es muy inferior a la presión atmosférica. Como resultado, el aire puede entrar en el sistema, necesitándose el uso de eyectores especiales en el condensador de calentadores de agua de alimentación con desgasificación para retirar el aire. Aunque el agua tiene algunos inconvenientes como fluido de trabajo, no se ha encontrado ningún otro fluido de trabajo más satisfactorio para las centrales de generación de electricidad. Sin embargo, ciclos de potencia de vapor destinados a usos especiales pueden emplear fluidos de trabajo que suponen una opción mejor que la utilización del agua. Ciclos que operan a presiones relativamente bajas pueden mejorar su rendimiento con un refrigerante como el amoniaco para fluido de trabajo. Sistemas de potencia para aplicaciones de alta temperatura pueden utilizar sustancias que tienen mejores características a estas temperaturas. (shapiro) ---------------------------------------------------------------------------------------------------------Rendimiento del ciclo de Rankine regenerativo

Un examen cuidadoso del ciclo de Rankine revela que otro punto mejorable es el hecho de que el agua de alimentación que sale de la bomba entra en la caldera a una temperatura relativamente baja. Una solución sería comprimir más el agua hasta alcanzar una temperatura más elevada, pero las altas presiones que esto requeriría hacen que esta

solución sea poco práctica. La solución habitual consiste en extraer o "drenar" vapor de la turbina en diversos puntos. Este vapor, que podría haber producido más trabajo si hubiera continuado su expansión en la turbina, se utiliza para calentar el agua de alimentación en un dispositivo llamado regenerador. La fracción de vapor enviada al regenerador se ajusta, para cada valor de la presión de extracción, de forma que el vapor salga del regenerador como líquido saturado. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------Por qué utilizar el Ciclo Regenerativo? En virtud de la segunda ley de la termodinámica, parte del calor absorbido para la producción de trabajo útil se pierde. En los ciclos de generación de energía, parte de esta pérdida se da en las torres de enfriamiento. Esta energía no regresa al ciclo, por lo que es una pérdida irreversible. Normalmente estas plantas consumen combustibles fósiles (gas natural, fuel oíl, carbón) que tienen costo significativo. En los Ingenios Azucareros, durante la zafra, se usa el retorno del condensado de vapor del proceso (90° - 95°C) como agua de alimentación de la Caldera. En el período de no zafra estas fuentes de calor no están disponibles. Así que para aumentar la eficiencia del ciclo se utiliza ciclo regenerativo ampliamente utilizado en grandes plantas termoeléctricas. En general las calderas están dimensionadas para recibir agua de alimentación con temperatura alrededor de 110°C / 120°C, sin embargo, en ciclo de condensación la temperatura del condensado es alrededor de 45 a 50 °C. El Ciclo Regenerativo permite que el calentamiento del condensado sea durante su retorno a la caldera. Cuánto más estaciones recalentadoras mayor será la temperatura del condensado.

El calentamiento se da a partir de tomas (sangrías) no controladas en diferentes etapas de la turbina. Normalmente son 3 o 4 tomas para pre-calentadores y el des-aireador. El balance de energía debe hacerse en conjunto con el fabricante de la caldera.

Condiciones de turbina de vapor actualmente Hay muchos tipos de turbinas de vapor, desde turbinas de una etapa hasta turbinas de varias etapas que tienen 30 o más etapas. Por lo tanto, el rango de capacidad de una sola unidad es muy amplio, desde la clase de cientos de kW hasta la clase de 1900 MW, y el rango de aplicaciones de las turbinas de vapor es También muy amplio. La generación de energía eléctrica es una de las principales aplicaciones de las turbinas de vapor. Ya que las condiciones de vapor de entrada a alta temperatura y alta presión aumentan la eficiencia, la entrada las presiones de vapor varían de 24.1 a 31.0 MPa.g (megapascal más presión atmosférica), y las temperaturas varían de 593 C a 600 C en turbinas de vapor típicas para modernas centrales térmicas a gran escala. Las turbinas de vapor en estas condiciones de vapor generalmente se denominan turbinas de vapor a presión ultra supercríticas (USC). Unidad Las salidas de potencia de las centrales eléctricas de USC suelen oscilar entre 600 y 1100 MW para una unidad de turbina, porque una gran capacidad para una unidad es ventajosa para la eficiencia de la turbina. Como un caso representativo de las turbinas de vapor USC, una turbina de vapor generalmente consiste en una turbina de alta presión (HP) de flujo único, una turbina de presión intermedia (IP) de flujo simple o flujo doble y dos turbinas de baja presión (LP) de flujo doble con álabes de última etapa de 1 mo más de longitud porque el volumen de vapor flujo, incluida la extracción de vapor de la salida de la

turbina de vapor en un vacío de condensadorcondición, aumenta hasta 2000 veces la de la entrada. Las figs. 1.1 y 1.2 muestran turbinas de vapor USC típicas para centrales eléctricas modernas

La tecnología de turbinas de vapor contribuye a mejorar la seguridad energética, económica crecimiento y conservación del medio ambiente en la sociedad moderna