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Republica bolivariana de Venezuela Ministerio del poder popular para la Defensa Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada Nacional Bolivariana Núcleo Aragua-Sede Maracay Coordinación de Ingeniería Eléctrica Termo hidráulica aplicada

Profesor:

Estudiantes:

Ing. José Perdomo

Fabián Díaz Lugo C.I. V-26.787.962 Oscar López C.I.V-26950956

Febrero, 2020

Introducción

La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma, la energía eléctrica nos otorga muchas comodidades en nuestra cotidianidad, ha impulsado el salto tecnológico que conllevo a que el hombre dominara por completo la oscuridad gracias a la bombilla de Edison, el ascenso de la era de la información gracias al desarrollo de los sistemas de telecomunicaciones, el surgimiento de la industria electrónica que impulso enormemente la agenda aeroespacial, llevando el primer hombre a la luna, puesta en órbita de diversos satélites, envío de sondas al espacio exterior en la búsqueda de las respuestas acerca de nuestro hermoso y extraño universo, entre otras maravillas modernas. La energía eléctrica se obtiene gracias a la ley de inducción electromagnética de Faraday, y para generar los campos magnéticos variables requeridos para la inducción de voltajes variables en el tiempo, y abastecer grandes extensiones de territorio, y a grandes distancias de los centros de generación, actualmente existen varios métodos: 1. Conversión de energía mecánica: esta se obtiene gracias a turbinas hidráulicas, de vapor o eólicas. 2. Conversión de energía fotovoltaica: Consiste en la implementación de celdas solares para transformar la radiación solar en energía eléctrica. 3. Conversión de energía nuclear: se obtiene gracias a la modificación de los enlaces que mantienen juntas a las partículas sub-atómicas, desprendiendo grandes cantidades de energía térmica en forma de calor, y mediante transformaciones termodinámicas y mecánicas se obtiene la energía eléctrica. 4. Conversión de energía magneto hidrodinámica: la MHD estudia la dinámica de los fluidos conductores en presencia de campos eléctricos y magnéticos. La generación de energía eléctrica consiste básicamente en implementar gas en estado de plasma como conductor eléctrico, y el flujo de este a través de campos magnéticos, ocasionando la inducción de voltajes bajo la acción de la ley de Faraday. Mediante la combustión de combustibles fósiles, como petróleo, gas natural o carbón, se logra liberar energía en forma de calor, dando funcionamiento a las centrales termoeléctricas, en Venezuela existen las siguientes plantas termoeléctricas:  Central Termoeléctrica Ricardo Zuloaga.

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Central Termoeléctrica Josefa Camejo. Central termoeléctrica Argimiro Gabaldón. El ciclo termodinámico predominante en dichas centrales son los ciclos de potencia de vapor, este consiste en que el fluido de trabajo se encuentra cíclicamente en un proceso de evaporación y condensación, el fluido de trabajo empleado es el vapor de agua, gracias a sus ventajas tanto económicas como de disponibilidad.

El ciclo Rankine ideal Es el ciclo ideal de las centrales termoeléctricas, una característica muy importante es que no posee ninguna irreversibilidad interna, esta se compone de cuatro procesos: 1. 2. 3. 4.

Compresión isentrópica en una bomba. Adición de calor a presión constante en una caldera. Expansión isentrópica en una turbina. Rechazo de calor a presión constante en un condensador. En el primer proceso el agua entra a la bomba como liquido saturado, condensándose isentropicamente hasta la presión de operación de la caldera y debido a la compresión isentrópica del agua, hay una disminución mínima del volumen específico del agua, y por lo tanto durante este proceso esta experimenta un aumento de temperatura. En el segundo proceso el agua entra a la caldera en forma de líquido comprimido y sale de este como vapor sobrecalentado al siguiente proceso. La caldera es un intercambiador de calor donde los gases de combustión se transfieren al agua a presión constante. En el tercer proceso el vapor sobrecalentado entra a la turbina en donde se expande isentropicamente, y ya que la máquina de vapor trabaja partiendo que el calor del fuego evapora el agua y dicho vapor expandido empuja un pistón que de forma alterna hace que gire un eje mecánico conectado al generador sincrónico de rotor liso; estos alternadores son empleados en centrales termoeléctricas debido a su gran velocidad en comparación con las turbinas hidráulicas (1800rpm en su mayoría). En el cuarto proceso se culmina el trabajo, enviando el vapor a otra cámara en la cual se le condensa mediante agua fría, para que nuevamente esta sea bombeada a la caldera, continuando así el ciclo de potencia de vapor.

A la cámara donde se condensa el vapor se denomina condensador, este es un gran intercambiador de calor, que intercambia el calor con un medio de enfriamiento, bien sea un rio, lago, laguna o la atmosfera. En Venezuela las centrales termoeléctricas están situadas en las cercanías de importantes lagos tales como el lago de Maracaibo y lago de Valencia, con el fin de emplear el agua como medio de enfriamiento.

Ciclo Rankine real

La fricción del fluido con las paredes de los tubos conectores ocasiona caídas de presión en la caldera, en el condensador y en otros componentes, ocasionando que el vapor resultante de la caldera salga a una presión un poco menor, por lo tanto, la presión en la entrada de la turbina es baja en comparación con la salida de la caldera y la del condensador también es muy pequeña. Para contrarrestar la caída de presión se debe bombear agua a mayor presión, requiriendo una bomba de mayor envergadura y una entrada de trabajo superior a la establecida en el modelo ideal. También está presente la perdida de calor del vapor hacia los alrededores cuando este fluido circula por varios componentes. Para mantener el mismo nivel resultante de trabajo es necesario un mayor suministro de calor hacia la caldera, para compensar las pérdidas, aunque esto tenga un impacto negativo en la eficiencia del sistema. Las irreversibilidades que suceden dentro de la bomba y la turbina son especialmente importantes. Una bomba requiere una entrada de trabajo mayor y una turbina produce una salida de trabajo más pequeña como consecuencia de las irreversibilidades. Bajo condiciones ideales, el flujo a través de estos dispositivos es isentrópica. La desviación existente entre bombas y turbinas reales respecto de las isentrópicas puede ser tomada en cuenta utilizando eficiencias isentrópicas. La cavitación se define como el proceso que deriva en la aparición de burbujas en un fluido por los cambios de presión. Este fenómeno acontece, bajo ciertas condiciones, el líquido cambia de estado, se vuelve gaseoso y luego otra vez pasa al estado líquido. La cavitación, por lo tanto, se lleva a cabo en dos fases: del estado líquido al gaseoso y del estado gaseoso al líquido. Por lo general la cavitación se produce en un sistema hidráulico que genera un cambio de velocidad abrupto del líquido. El fluido, ante esta situación, pierde presión y las moléculas cambian al estado gaseoso, generando las cavidades o burbujas. Estas burbujas se desplazan a las zonas del líquido que tienen mayor presión y

finalmente implosionan, regresando súbitamente al estado líquido. La cavitación provoca vibraciones, ruidos y hasta daños en las superficies que contienen al líquido, ya que genera una erosión. Los condensadores suelen sub-enfriarse, precisamente para evitar el inicio de la cavitación, con el objetivo primordial de proteger a la bomba de los terribles daños ocasionados por la cavitación. Entre las partes móviles se ubican los cojinetes, consecuencia de la fricción, hay pérdidas adicionales. La fuga de vapor en el condensador durante el ciclo y el aire que ingresa a este representan otras fuentes de pérdidas. La potencia consumida por equipos auxiliares, como los ventiladores que suministran aire al horno, también de ben considerar se en la evaluación del desempeño de las centrales eléctricas reales.

Incremento de la eficiencia del ciclo Rankine

Cerca del 40% de la energía eléctrica consumida a nivel mundial es generada por centrales termoeléctricas, por ello se requiere la mayor eficiencia posible del ciclo de potencia, ya que esto se traduce en importantes ahorros en la adquisición de combustibles. Todos los procedimientos para incrementar la eficiencia térmica de un ciclo de potencia siguen la misma línea de acción: incrementar la temperatura promedio a la que el calor se transfiere al fluido de trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura pro me dio a la que el calor se rechaza del fluido de trabajo en el condensador. Una solución práctica y que se aplica en la mayoría de las centrales termoeléctricas consiste en expandir el vapor de la turbina en dos etapas y recalentarlo entre ellas, es simplemente el ciclo Rankine ideal con un proceso de recalentamiento. El ciclo Rankine ideal con recalentamiento difiere del ciclo Rankine ideal simple en que el proceso de expansión sucede en dos etapas. En la primera, el vapor se expande isentropicamente hasta una presión intermedia y regresa a la caldera donde se recalienta a presión constan te, por lo general hasta la temperatura de entrada de la turbina de la primera etapa. Después, él va por se expande isentropicamente en la segunda etapa (turbina de baja presión) hasta la presión del condensador. Esta optimización simple en una central termoeléctrica trae consigo un aumento de la eficiencia que no sobrepasa el 5%, debido al incremento de la temperatura promedio a la cual se transfiere calor al vapor. Al aumentar el número de etapas de expansión y recalentamiento, puede aumentar la temperatura promedio durante el proceso de recalentamiento, al

realizar esto, los procesos de expansión y recalentamiento se aproximan a un proceso isotérmico a temperatura máxima. Aunque este método no es práctico, debido a que el mejoramiento teórico en la eficiencia debido al segundo recalentamiento es muy cercano al obtenido de una sola etapa de calentamiento. Si la presión de entrada de la turbina no es lo suficientemente alta, el doble recalentamiento resulta en un escape sobrecalentado. Esto es indeseable porque causa ría que la temperatura promedio para el rechazo de calor aumente y de esta manera la eficiencia del ciclo disminuya. Por lo tanto, el doble recalentamiento se utiliza solamente en centrales eléctricas de presión supercrítica (P > 22.06 MPa). Una deficiencia del ciclo Rankine es que el calor que se transfiere al fluido de trabajo durante el proceso de transición entre la compresión isentrópica del líquido a través de la bomba y la adición de calor a presión constante en una caldera a una temperatura relativamente baja, reduciendo la temperatura promedio a la que se añade el calor y por consiguiente la eficiencia. 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 pun tos. Es te va por, 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 agua de alimentación (CAA). 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). 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 y se expande isentropicamente hasta una presión intermedia. Se ex trae un poco de vapor en este estado y se envía al calentador de agua de alimentación, mientras él va por res tan te continúa su expansión isentrópica hasta la presión del condensador. Este vapor sale del condensador como líquido saturado a la presión del condensador. El agua condensada, que también es llamada agua de alimentación, entra después a una bomba isentrópica, donde se comprime hasta la presión del calentador del agua de alimentación 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 liquido saturado a la presión del calentador. Una segunda bomba eleva la presión del agua hasta la presión de la caldera. El ciclo se completa con el calentamiento del agua en la caldera hasta él estado de entrada de la turbina. La eficiencia térmica del ciclo Rankine aumenta como resultado de la regeneración. Esto se debe a que la regeneración eleva la temperatura promedio a la que el calor se transfiere al vapor en la caldera aumentando la temperatura del agua antes de que entre a la caldera. La eficiencia del ciclo se incrementa aún más cuando aumenta el número de calentadores de agua de alimentación. Muchas grandes centrales que operan en la actualidad utilizan hasta ocho calentadores de agua de alimentación; el número óptimo se determina con base en consideraciones económicas. El uso de un calentador de agua de alimentación adicional no puede ser justificado a menos que ahorre más en relación con los costos del combustible que se gastó en su propio costo. 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 va por extraído, que ideal mente sale del calentador como líquido saturado a la presión de ex tracción. En las centrales eléctricas reales, el agua de alimentación sale del calentador a una temperatura menor que la de salida del va por extraído por que se requiere una diferencia de temperatura de al menos unos cuantos grados para que se lleve a cabo cualquier transferencia de calor efectiva. Después, el vapor condensado se bombea a la línea del agua de alimentación o se envía a otro calentador o al condensador mediante un dispositivo llamado trampa, el cual permite que el líquido sea estrangulado hasta una región de presión inferior, pero atrapa el vapor. La entalpía del vapor permanece constante durante este proceso de estrangulación.

Conclusiones

1. El ciclo Rankine ideal se le puede considerar como un proceso de flujo estacionario, debido a que los cambios de energía potencial y cinética del vapor son mínimos en comparación con los términos de trabajo y transferencia de calor, por lo tanto son insignificantes. 2. Existen diferencias entre el ciclo ideal y real debido a las irreversibilidades en varios componentes. La fricción del fluido y las pérdidas de calor hacia los alrededores son fuentes principales de irreversibilidades. 3. Cualquier esfuerzo aplicado con el fin de mejorar la eficiencia del ciclo térmico de las centrales termoeléctricas es válido, ya que aproximadamente el 40% de la energía eléctrica consumida a nivel mundial proviene de dichas centrales eléctricas. 4. Los calentadores abiertos son simples y económicos y poseen buenas características para la transferencia de calor, estos llevan el agua de alimentación hasta el estado de saturación. 5. La transferencia de calor en los calentadores cerrados de agua de alimentación es menos efectiva, al no permitir que los dos flujos entren en contacto directo. Aunque, dichos calentadores no requieren de una bomba independiente para cada calentador, porque el vapor extraído y el agua de alimentación pueden estar a distintos niveles de presión.