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• Miguel Lorenzana

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RANKINE REGENERATIVO

  Ciclo Rankine Regenerativo  

  ­ Contenido ­ Objetivo Introducción  Marco Histórico Diagrama Termodinámico base del Ciclo Rankine Regenerativo Enfoque Químico del Ciclo Rankine Regenerativo  Enfoque Físico del Ciclo Rankine Regenerativo  Enfoque Ambiental del Ciclo Rankine Regenerativo Concurrencia de las tres áreas en el Ciclo Rankine Regenerativo

 

Ciclo de Rankine Regenerativo a base de Recursos Energéticos tradicionales: Energía a base de Hulla Calentadores abiertos de agua de alimentación Ciclo de Rankine Regenerativo con calentador abierto. Ciclo de Rankine Regenerativo a base  de Recursos Energéticos alternativos: Energía Termosolar. Energía Termosolar  Esquema Aplicable Conclusiones finales  Fuentes  de información         

 

  Objetivo Plantear el interés de la ingeniería química, física y ambiental, al Ciclo Rankine Regenerativo, generando un esquema teórico del ciclo y planteando sus oportunidades energéticas; mediante un marco de comparación entre dos recursos energéticos uno tradicional (energía a base de Hullas)  y uno no tradicional (energía solar térmica).

  Introducción El Ciclo Rankine Regenerativo es la base termodinámica fundamental para la generación de energía a base de Centrales Termoeléctricas Convencionales   en México, en el presente trabajo buscamos tener un enfoque multidisciplinar desde un interés Químico, Físico y Ambiental en busca de poder generar sinergia entre las habilidades que las tres academias y poder obtener resultados interesantes que promuevan el llegar a comprender desde distintas instancias el mismo Ciclo. También se busca ondear en la comparación de la alimentación energética de dicho Ciclo mediante la aplicación de un método convencional mediante el uso de hullas y un método más acorde a la actualidad que se esta viviendo como es el uso de energía termosolar.

 

  Marco Histórico William John Macquorn Rankine fué un  Ingeniero y físico británico que se dedicó en 1840 a estudiar las leyes de la termodinámica; y estableció el ciclo termodinámico característico (ciclo de Rankine), desarrollando una teoría completa de la máquina de vapor y de hecho de todos los motores térmicos. Su fascinación juvenil con la mecánica del motor tèrmico . A pesar de su teoría de hacer circular corrientes de vórtices elásticas cuyos volúmenes eran espontáneos y ya que por 1849, había tenido éxito en la búsqueda de la relación entre la presiòn de vapor saturado y la temperatura . Al año siguiente, utilizó su teoría para establecer relaciones entre la temperatura, la presiòn y la densidad de los gases , y las expresiones para el calor latente de evaporaciòn de un lìquido. Se predijo con exactitud el hecho sorprendente de que el aparente calor específico de saturación de vapor sería negativo. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un Ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos. Realizando una revisión bibliográfica de la última década, han tenido lugar multitud de investigaciones basadas en ciclos Rankine como sistemas de aprovechamiento de energía térmica residual. En dichas investigaciones, el desarrollo, diseño, y optimización de los ORCs (Organic Rankine Cycles) ciclos rankine orgánicos, como sistemas de recuperación de energía térmica residual, se ha basado fundamentalmente en el análisis de los siguientes aspectos. 1) selección de fluido de trabajo, 2) características de fuentes térmicas residuales, 3) optimización de condiciones de funcionamiento de ciclo y 4) selección de maquina expansora. Y asi mejorar los ciclos rankine, como es este caso el de regeneración .

 

  Diagrama termodinámico base del Ciclo Rankine Regenerativo Un Ciclo Rankine con Regeneración 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.

Calentadores abiertos (CAA abierto): Básicamente una cámara de mezclado en que el vapor extraído de la turbina se mezcla con el agua de alimentación que sale de la bomba. como se observa en la figura de abajo, se extrae un poco de vapor en el estado 6 y se envía al CAA, mientras el vapor restante continúa su proceso de expansión isoentrópica hasta el estado 7. El agua condensada en el proceso 7­>1 entra luego a

la bomba isoentrópica donde se comprime hasta le presión de la cámara de alimentación y luego se envía a la CAA donde se mezlca con el vapor extraído en la turbina. Idealmente, la mezcla sale del CAA como líquido saturado (estado 3) a la presión del calentador y luego comprime mediante una bomba hasta alcanzar la presión de la caldera. El vapor extraído de la turbina se mezcla con el agua de alimentación que sale de la bomba. Se ajustan los flujos másicos de las corrientes que entran al calentador, de manera que el resultado de la mezcla a la salida del calentador sea líquido saturado a una presión determinada.

El análisis teórico de un ciclo ideal regenerativo se emplean los principios de conservación de la masa y la energía aplicados al volumen de control.

De la misma manera, el balance de energía con 

Eliminando flujo másico 7 al combinar estas dos ecuaciones:

Dividiendo todo entre la masa total (flujo másico 7) tenemos:

Si la fracción de vapor de agua extraída de la turbina flujo másico 4/ flujo másico 7 , en el estado 4 se representa por "y4" , entonces:

El trabajo total que sale de la turbina, referido a la unidad de masa que atraviesa la zona de la caldera y el sobrecalentador, es:

El trabajo de la bomba de líquidos en condiciones isoentrópicas, referido a la misma masa, es:

Calentadores cerrados: En un calentador cerrado no se mezclan las corrientes que entran. El agua de alimentación circula por el interior de los tubos que pasan por el calentador y el vapor extraído de la turbina para precalentar el agua, se condensa sobre los tubos

.

En el caso ideal, se supone que el agua de alimentación proveniente del condensador sale del calentador como liquido comprimido a la misma temperatura que el vapor de agua extraído que ha condensado.

Para cualquiera de los arreglos de los calentadores cerrados, el balance de energía en régimen estacionario se supone que el calentador está aislado térmicamente y que las variaciones de las energía cinética y potencial de las corrientes son despreciables. Téngase en cuenta que los valores de esta ecuación no son iguales.

  Interés químico del Ciclo Rankine Regenerativo A excepción de la energía nuclear, el sol es la fuente primaria de toda la energía mecánica utilizada por la humanidad. Es sorprendente la cantidad total de energía solar que llega a la tierra, aún cuando la cantidad con la cual incide sobre un metro cuadrado de superficie es mínima. Se necesita recolectar la energía de una gran área para hacer conveniente su consumo en cualquier producción  de trabajo a gran escala. A pesar de eso, las celdas fotovoltaicas solares se utilizan para generar energía

eléctrica en aplicaciones especiales a pequeña escala. La radiación solar también encuentra aplicación directa para el calentamiento del agua y edificios, en la generación de altas temperaturas, en la industria metalúrgica (hornos solares), así como en la evaporación del agua para la producción de sal.  La energía cinética asociada con los vientos atmosféricos se utiliza cada vez más en algunos lugares donde es posible producir potencia por medio de grandes molinos de viento. La energía potencial de las mareas es otra fuente de energía, pero su producción es mínima en comparación con la demanda de energía mundial. No obstante, en algún momento todas estas alternativas serán indispensables.  Una gran cantidad de energía hidroeléctrica se genera por la conversión de la energía potencial del agua en trabajo, un proceso que en principio se puede lograr con una eficiencia de 100%. De cualquier modo, hasta ahora las fuentes de energía más importantes son la energía química (molecular) de los combustibles y la energía nuclear. Las instalaciones a gran escala para este propósito dependen del desprendimiento del calor y su consecutiva conversión parcial en trabajo. A pesar del perfeccionamiento en el diseño del equipo, la eficiencia de conversión no se aproxima al 100%. Lo anterior es una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica. La eficiencia de las plantas convencionales de energía de vapor por combustibles fósiles rar vez excede 35%. Sin embargo, es posible lograr eficiencias mayores a 50% en plantas de ciclo combinado con generación de energía dual: a partir de turbinas de fas de tecnología avanzada a partir de ciclos de potencia de vapor que funcionan con el calor recuperado de los gases que salen calientes de la turbina un dispositivo común para la transformación directa de energía química a eléctrica, sin la generación intermedia de calor, es la celda electroquímica; por ejemplo, una batería como la celda de combustible en la que se suministran en forma continua los reactivos a los electrodos. La más exitosa es una celda en la que el hidrógeno en la que el hidrógeno reacciona con el oxígeno para producir agua mediante una transformación electroquímica. La eficiencia puede alcanzar 85%, una mejoría notable sobre los procesos que convierten primero la energía química en calor. Se trata de una tecnología con aplicación fundamental en el transporte, aunque es posible encontrarle mejores aplicaciones. En una planta de energía convencional, la energía molecular del combustible se libera durante un proceso de combustión. La función del dispositivo de generación de trabajo es transformar parte del calor de combustión en energía mecánica. en una planta de energía nuclear el proceso de fisión livera la energía de los núcleos del átomo, en forma de calor, que a continuación se transforma parcialmente en trabajo.  La planta de energía de vapor es una máquina térmica a gran escala, en la cual el fluido de trabajo (H2O) fluye sucesivamente en estado estacionario a través de una bomba, una caldera, una turbina y un condensador en un proceso cíclico. El fluido de trabajo está separado de la fuente de calor y éste se transfiere a través de una frontera física. En una planta de combustión a fuego directo del combustible fósil, los gases de combustión están separados del vapor por medio de las paredes de la tubería de la caldera. 

 

  Interés Físico del Ciclo Rankine Regenerativo   Las maquinas térmicas han evolucionado a lo largo de la historia desde el siglo XIX hasta en siglo XXI y son de gran utilidad en la industria, transporte, e innovaciones científicas y son de vital importancia desde el punto de vista físico ya que básicamente se requiere de un recurso para ser transformado en “vapor” que se expandirá al calentarse y generar “movimiento” de algún mecanismo. En términos más simples es conversión de calor en trabajo, pero como no es posible transformar todo el calor en trabajo para eso se inventaron los ciclos rankine, en el que se describe más específicamente la energía térmica en energía mecánica; la cantidad de calor es proporcional a la cantidad de trabajo. Se lograron importantes avances en el funcionamiento de las maquinas térmicas, gracias a la ley de la conservación de la energía en donde un sistema mecánico que conserva las transformaciones de; energía cinética y potencial, si no existe fricción. Al igual que en los sistemas térmicos también se conserva la energía; con los cambios de energía interna relacionada con el movimiento y las fuerzas entre moléculas y átomos y el trabajo que el sistema térmico puede efectuar o que se efectúa sobre él. Lo más destacado es considerar su eficiencia de cualquier maquina térmica, ya que por la segunda ley de la termodinámica: un proceso cuyo único proceso sea convertir calor en trabajo es imposible, por esta razón no puede existir una maquina térmica que convierta todo el calor en trabajo, ya que a fin de cuentas lo que nosotros buscamos es satisfacer una necesidad a menor costo posible, por eso es de considerar la eficiencia térmica.  

                                      Representación Física del Ciclo Rankine Regenerativo.  

 

  Interés ambiental del Ciclo Rankine Regenerativo El mundo se mueve a partir de tendencias, y es una ley que aplica a todas las áreas de concentración, hoy día una de esas tendencias es el Impacto o Huella Ambiental un facotr determinante (además del factor social) en el éxito o fracaso de un proyecto de cualquier tipo. 

El Ciclo de Rankine es el principal fundamento termodinámico que sustenta en las Centrales Termoeléctricas Convencionales mediante el proceso de combustión que tiene lugar en la caldera para producir vapor que es enviado a la turbina para producir energía mecánica que mueve un generador para obtener energía eléctrica.  La energía termoeléctrica es la más empleada en nuestro país para generar energía.  Se tienen registros de que, hasta el 2009 había plantas de este tipo en todo el país. Muchas de ellas usan combustóleo para calentar agua en la caldera que produce vapor llegando a temperaturas del orden de 520 C. Es importante destacar los impactos ambientales  que genera tener una Central Eléctrica Convencional ya que e los últimos meses, personajes políticos globales han prestado importante atención en uno de los retos más importantes que enfrenta la humanidad: El Cambio Climático.  El Cambio Climático es la anomalía en condiciones climáticas promedio en un periodo de tiempo, existe toda una literatura que menciona las pruebas de dicho tema cuyos principales factores responsables son los Gases de Efecto Invernadero expuestos por la humanidad durante la era industrial principalmente.  Existe un Factor de Emisiones importante a considerar generados por Centrales Termoeléctricas  tales como el Dióxido de Azufre, Óxidos de Nitrógeno  y Dióxido de Carbono, emisiones que forman parte fundamental en el cambio de muchos patrones atmosféricos determinantes en importantes fenómenos meteorológicos. También es importante mencionar el impacto térmico resultante de la remoción que ocurre en el condensador. 

Concurrencia de las tres áreas en el Ciclo Rankine Regenerativo

   

 El Ciclo Rankine Regenerativo hoy día toma un papel muy importante  en la Ingeniería Moderna ya que es base fundamental de muchas de las tecnologías energéticas de las cuales la actual economía se sustenta. Pero estamos en  un mundo cambiante, comunicado y donde el innovar se ha vuelto una rutina, he ahí la importancia de dicho trabajo ya que se permite dar tres enfoques de materias muy tradicionales: la  química, la física y el tema ambiental.  Por las razones ya mencionadas podemos predecir  un interés químico mediante el conocimiento de celdas de hidrógeno las llamadas nuevas  fuentes energéticas. O bien podemos ondear en la mecánica conceptual del funcionamiento del Ciclo de Rankine en busca de optimizar el proceso. Y finalmente y muy importante el tener un enfoque desde el impacto ambiental, tema que ha tomado mayor relevancia a lo largo de los últimos años.    

   Ciclo Rankine Regenerativo a base de Recursos Energéticos tradicionales: Energía a base de Hulla Un examen cuidadoso del diagrama T­S del ciclo Rankine mostrado en la figura, revela que el calor se añade al fluido de trabajo durante el proceso 2­2’ a una temperatura relativamente baja. Esto reduce la temperatura promedio a la que se añade el calor y, por consiguiente, la eficiencia térmica del ciclo.

                         Adición de calor a baja temperatura y adición de calor a alta temperatura como mejora.   Para remediar esta deficiencia, se debe buscar la manera de elevar la temperatura del líquido que sale de la bomba (agua de alimentación) antes de que entre al generador de vapor. Una de las posibilidades es transferir calor a través de la extracción o drenado del vapor de la turbina en diversos puntos. Este vapor, que podría haber producido más trabajo si se expandía aún más en la turbina, se utiliza 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. La regeneración no sólo mejora la eficiencia del ciclo, sino que también proporciona un medio conveniente de deaerear el agua de alimentación (eliminando el aire que se filtra en el condensador) para evitar la corrosión en el generador de vapor. También ayuda a controlar la gran tasa de flujo volumétrico del vapor en las etapas finales de la turbina (debido a los grandes volúmenes específicos a bajas presiones). Por lo tanto, la regeneración se emplea en las actuales plantas de generación de energía eléctrica. Para llevar un ciclo de recuperación ideal, necesitaríamos en esencia un número infinito de cambiadores de calor para precalentar el condensado con vapor extraído de la turbina. Esto

no es físicamente posible, un análisis termodinámico nos indicaría que la ganancia en eficiencia térmica que resulta agregar un calentador disminuye al aumentar el número de calentadores. En consecuencia, se alcanza el punto donde cualquier aumento adicional en el número de calentadores no resulta económicamente justificable. En la práctica, seis o siete calentadores es el número máximo utilizado, de los cuales seis o cinco son calentadores cerrados y solo un calentador abierto o deaereador. Calentadores abiertos de agua de alimentación  Un calentador abierto de agua de alimentación es una cámara de mezclado, donde el vapor extraído de la turbina se mezcla con el agua de alimentación que sale de la bomba. En una situación ideal, la mezcla sale del generador de vapor como líquido saturado a la presión del generador de vapor. En la figura próxima se muestra el calentador abierto de una planta de generación de energía eléctrica y el diagrama T­s del mismo. Esquema aplicable.  

 

Ciclo Rankine regenerativo con calentador abierto. En un ciclo Rankine ideal regenerativo el vapor entra a la turbina a la presión del generador de vapor (estado 5) y se expande isoentrópicamente hasta una presión intermedia (estado 6) se extrae un poco de vapor en este estado y se envía al calentador de agua de alimentación, en tanto que el vapor restante (1­y) continúa su expansión isoentrópica 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 recibe el nombre de agua de alimentación, entra a la bomba donde se comprime isoentrópicamente hasta la presión de calentamiento donde se mezcla con el vapor extraído de la turbina. La fracción del vapor extraído es tal que la mezcla sale del condensador como líquido saturado a la presión del calentador (estado 3). Una segunda bomba eleva la presión del agua hasta la presión del generador de vapor (estado 4). El ciclo termina con el calentamiento del agua en el generador de vapor hasta el estado de entrada de la turbina (estado 5). En el análisis de la planta de energía de vapor es más conveniente trabajar con cantidades expresadas por unidad de masa de vapor que circula por el generador de vapor. Por cada 1 kg de vapor que abandona el generador de vapor, y kg se expande de manera parcial en la turbina y se extrae en el (estado 6). El resto (1 ­ y) kg se expande por completo hasta la presión del

condensador. Por lo tanto, las tasas de flujo másico son diferentes en distintos componentes. Si la tasa de flujo másico a través del generador de vapor esm, por lo tanto, será de (1 – y)ma través del condensador. Este análisis del ciclo Rankine regenerativo debe considerarse, así como en la interpretación de las áreas en el diagrama T­s.

Análisis de energía del ciclo Rankine ideal regenerativo con calentador abierto De la figura anteror, el calor y las interacciones de trabajo de un ciclo Rankine regenerativo con un calentador de agua de alimentación puede expresarse por unidad de masa de vapor que fluye por la caldera como sigue: qin = h5­h4,   qout = (1­y)(h7­h1),          Wturbine, out = (h5­h6) + (1­y)(h6­h7)          Wpump, in       = (1­y)Wpump1 + Wpump2                             = (1­y)(h2­h1) + (h4­h3)                             = (1­y)v1(P2­P1) + v3(P4­P3)  donde la fracción de vapor se obtiene de balances de masa.  La eficiencia térmica del ciclo Rankine aumenta como resultado de la regeneración; lo anterior es consecuencia de que la regeneración eleva la temperatura promedio a la que el calor se añade al vapor en el generador de vapor y eleva la temperatura del agua antes de que entre en ella. La eficiencia del ciclo se incrementa aún más conforme aumenta el número de calentadores de agua de alimentación. Como ya se mencionó anteriormente el número de calentadores óptimo en un planta de generación de energía eléctrica es a lo más 7 recuperadores, el empleo de un calentador de agua de alimentación adicional no se justifica a menos que ahorre más en relación con los costos del combustible respecto a su propio costo. Aplicación del Ciclo de Rankine Regenerativo.

 En esta termoeléctrica utiliza el ciclo Rankine Sobrecalentado y Regenerativo en algunos de sus sistemas. Termoelectrica Lázaro Cárdenas Ubicada en Lechería Ecatepec de Morelos.

 

  Ciclo Rankine Regenerativo a base de Recursos Energéticos alternativos: Energía termosolar Sin duda, el mundo esta cambiando. Y uno de los objetivos propuestos en la ultima Conferencia de las Parte en París, en el que se genero el famoso Acuerdo Internacional de París es el de llegar a una economía baja en carbono, y después a una descarbonización profunda. Lo anterior aunado a los recientes problemas y cambios meteorologicos que tienen preocupado a la comunidad científica, social y ahora política.  El uso del sol como fuente de energía renovable no es novedad, se lleva planteando por mucho tiempo y las tecnologías existentes van evolucionando día a día para generar el máximo aprovechamiento del astro.  Energía termosolar. La energía termosolar o como muchos prefieren llamarle, energía térmica, al aprovechamiento energético del sol mediante colectores térmicos. Esa tecnología se tiene a usar en calentamiento de agua, punto fundamental de dicho trabajo. Aplicación del Ciclo de Rankine Regenerativo. Esquema aplicable. Lo que buscamos en la aplicación de energía termosolar en el Ciclo Rankine, es la incidencia del mismo en la Fuente Térmica, dejando a un lado los combustibles convencionales y usando esta tecnología el calentamiento del fluido. 

Una metodología muy útil para dicho aprovechamiento lo describe en esta imagen.

 

 

  Conclusiones finales  El Ciclo de Rankine no ha pasado de moda, es un modelo básico termodinámico que usan muchas plantas termoeléctricas hoy día. Pero existen oportunidades de cambio. El presente trabajo tomo relevancia y bajo discusión la concordancia del presente ciclo con las materias y los intereses de las mismas en incidir en el tema, generando de está manera nuevas formas de modificar un esquema que ha sido utilizado por años mediante la aplicación de nuevas fuentes de energía.  

 

Fuentes de información Ciclo de Rankine con regeneración

Smith. Van N. Abbot. Introducción a la termodinámica en Ingeniería Química. 7ed. Mc Graw Hill. http://e­archivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/18302/PFC_Sergio_Mier_Santiso.pdf?sequence=1 http://www.slideshare.net/ita7/ciclo­rankine­regenerativo­16128504

Libro Clean Coal Technologies for Power Generation, Jayarama, pag 121­126 (google books) Libro Thermal Power Plant: Design and Operation, Dipak, pag 23­28 (google books)

Unidad 12 - Ciclo de vapor con Regenerac...