Unidad_11

Vista previa del material en texto

19 
Ciclos de Potencia 
 
Ciclos de Potencia 
 
Conversión de Calor en Trabajo 
 
Fuentes de poder mas utilizadas en la actualidad 
 
 
 
Energía Molecular: 
(combustibles fósiles) 
Energía Potencial de Agua
(energía mecánica) 
Energía Atómica 
(reacciones nucleares) 
 
 
En teoría es posible transformar el 100 % de la energía mecánica del agua en 
energía eléctrica 
 
Energía molecular o nuclear se basan en la transformación de Calor en Trabajo 
mecánico, y éste en electricidad. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Los valores de eficiencia para la transformación de calor en trabajo mecánico no 
superan el 45 a 60 %. 
 
Es posible transformar energía molecular o atómica en electricidad sin la 
generación de calor, utilizando celdas electrolíticas. La eficiencia se ha establecido 
entre el rango de 65 a 80 %. 
 
Energía 
Molecular o Nuclear 
Calor Trabajo Mecánico 
Energía Eléctrica Energía no Utilizada 
Ciclos de Potencia 175 
Una Planta Poder transforma energía química o 
nuclear en calor, el cual es continuamente 
convertido en trabajo mecánico. 
 
En una planta de poder, el Vapor de Agua circula a 
través de un proceso cíclico, vaporizándose y 
condensándose, generando el trabajo requerido. 
 
 
Rendimiento Térmico 
 
Neto
S
H
WTrabajo Neto Obtenido
Energía Sumistrada Q
η = = 
 
 
Neto
SW = Suma algebraica de los Trabajos que se efectúan en el ciclo. 
 
HQ = Calor suministrado al fluido para la realización del proceso cíclico. 
 
 
Planta de Poder Ideal 
 
Una planta de poder ideal, es similar a una Máquina de Carnot, la cual opera con 
vapor como fluido de trabajo, y en condiciones reversibles. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TL 
Depósito Frío 
Depósito Caliente 
TH 
QL 
QH 
 
Turbina 
WST(-) 
Compresor 
WSC(+) 
Condensador
4 
1 
2 
3 
Caldera QH(+)
QL(-)
Boiler 
Ciclos de Potencia 176 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Caldera: líquido saturado es vaporizado reversible e isotérmicamente (TH), hasta 
la condición de vapor saturado. 
 
(E): H12H QHHH =−=∆ 
 
(S): 
H
H
H T
QS =∆ 
 
)SS(TSTQ 12HHHH −=∆= 
 
 
Turbina: expansión reversible y adiabática del vapor saturado. Condición final 
corresponde a una mezcla líquido−vapor. 
 
(E): TT 3 2 SH H H W∆ = − = 
 
(S): 0ST =∆ 0SS 23 =− 
 
 
Condensador: la mezcla líquido−vapor ingresa al condensador, donde reversible e 
isotérmicamente (TL), se disminuye la fracción vaporizada. 
 
(E): L34L QHHH =−=∆ 
T 
TH 
TL 
1 2 
3 4 
Ŝ
Neto
S Ideal
W
Ciclos de Potencia 177 
(S): 
L
L
L T
QS =∆ 
 
L L L L 4 3Q T S T (S S )= ∆ = − 
 
 
Compresor: compresión reversible y adiabática de la mezcla líquido−vapor, hasta 
la condición final de vapor saturado. 
 
(E): CC 1 4 SH H H W∆ = − = 
 
(S): 0SC =∆ 0SS 41 =− 
 
 
El trabajo de eje neto obtenido del ciclo: Neto T CS S SW W W= + 
 
 
Balance de energía para el ciclo (reversible): T CS S H LH W W Q Q 0∆ = + + + = 
 
 
Neto
S H LW Q Q= + 
 
 
Neto
S H 2 1 L 4 3W T (S S ) T (S S )= − + − 
 
 
Balance de entropía para el ciclo (reversible): 0SS LH =∆+∆ 
 
 
0
T
Q
T
Q
L
L
H
H =+ 
H
H
LL T
QTQ −= 
 
Neto H L
S H L H
H H
Q TW Q T Q 1
T T
⎡ ⎤
= − = −⎢ ⎥
⎣ ⎦
 
Ciclos de Potencia 178 
Neto
S L
H H
W T1
Q T
η = = − (Máxima Eficiencia) 
 
 
El Segundo Principio de la Termodinámica establece: Es imposible construir una 
máquina que opere entre dos depósitos y sea más eficiente que una máquina 
reversible operando entre los mismos dos depósitos. 
 
 
 TH → ∞ 
η = 1 (Físicamente Imposible)
 TL → 0 
 
 
 
Operación reversible de Caldera y Condensador 
 
La operación reversible del ciclo implica la existencia de fuerzas impulsoras 
infinitesimales. si la caldera o el condensador opera en estas condiciones, los 
gradiantes térmicos deberían ser infinitésimos de segundo orden. 
 
 
Como consecuencia de operar con diferencias tan pequeñas de temperatura, se 
requiere una área de transferencia infinita, lo que significa una costo inaceptable. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Es necesario que existan una diferencias de temperatura finitas entre el fluido de 
proceso (vapor) y las corrientes a calentar y enfriar. Es por ello que la caldera debe 
operar a temperatura superior a la del fluido de proceso, y el condensador a una 
temperatura inferior. 
Caldera de área 
infinita 
Entrada Fluido 
Calefactor: T ≈ TH 
Vapor 
 Saturado (TH) 
 
Salida Fluido 
Calefactor: T ≈ TH 
Ciclos de Potencia 179 
Caldera: Real Re versibleH HT T< 
 
 
Condensador: Real ReversibleL LT T> 
 
 
 
Neto Neto
S SReal Re versible
W W< NetoS H 2 1 L 4 3W T (S S ) T (S S )= − + − 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Operación de la Turbina y Compresor 
 
 
En el proceso real existe una generación de entropía en la turbina y el compresor, 
debido a irreversibilidades, originando pérdida de trabajo en el ciclo. 
 
 
Perdido
S alW T S= ∆ 
 
 
En ciclos de potencias que trabajan reales bajo condiciones reales, la turbina y el 
compresor no pueden operar reversiblemente,. 
 
T 
4 
1 2
3
Real
HT
Re versible
H HT T=
Real
LTRe versible
L LT T=
Neto
S Real
W
Ŝ
Ciclos de Potencia 180 
TS 0∆ > 3 2S S> 
 
 
CS 0∆ > 4 1S S> 
 
 
 
T T
S SReal Ideal
W W< C CS SReal IdealW W> 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Cuando el proceso opera en condiciones irreversibles, como ocurre con la 
trayectoria 1Id – 2Id – 3Real – 4Real – 1Id, el área delimitada por el rectángulo no 
representa el trabajo neto del ciclo. 
 
 
Ciclo de Rankine 
 
El ciclo de Carnot es estudiado como estándar de referencia para los ciclos de 
potencia reales. En vista que presenta serios inconvenientes al intentar llevarlo a la 
practica. 
 
 
La compresión de una mezcla líquido y vapor no es conveniente por la gran 
cantidad de trabajo de eje consumido en el compresor: V LV V>> . 
T 
TH 
TL 
4Id 
1Id 2Id
3Id 3Real
Ŝ
4Real 
2Real1Real 
Ciclos de Potencia 181 
1
4
P
C
S
P
ˆ ˆW VdP= ∫ 
 
La compresión o expansión de mezclas vapor y líquido, origina inconvenientes 
mecánicos, problemas de erosión y vibración, tanto en la turbina y el compresor. 
 
 
El ciclo de Rankine trabaja bajo similares condiciones que el ciclo de Carnot, pero 
evita los inconvenientes que origina el operar con mezclas de líquido y vapor. 
 
 
El líquido retirado del condensador está saturado, el cual será posteriormente 
comprimido y precalentado, antes de ingresar a la caldera. La descarga de la 
caldera es vapor sobrecalentado. Se evita de esta manera la formación de gotas, 
que causarían serios daños en la turbina. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
En esta nueva configuración se comprime sólo líquido subenfriado (5 – 6), que 
posteriormente se precalienta hasta la condición de líquido saturado (6 – 1). Como 
consecuencia se disminuye el gasto energético en el compresor 
Caldera 
Condensador5 
6 
QH(+)
Turbina 
3 
4 
QL(-)
Compresor 
Sobrecal Precal 
2 1 Boiler 
WSC(+) WST(-) 
Ciclos de Potencia 182 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
En la turbina, vapor sobrecalentado se expande isoentrópicamente hasta alcanzar el 
estado saturado (3 – 4). Se evitan los problemas asociados a la erosión, corrosión, y 
vibración en la turbina. 
 
 
En términos generales el ciclo de Rankine presenta una eficiencia menor que la 
obtenida con el ciclo de Carnot. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Si las etapas de compresión y expansión en un ciclo de Rankine que presentan 
irreversibilidades, las mismas perderán su carácter de isoentrópicas, y en ocasiones 
T 
TH 
TL 
4
1 
2
3
5 
6 
PH (constante) 
PL (constante) 
Ŝ
T 
TH 
TL 4
1 
2
3
5 6 
PH (constante) 
PL (constante) 
7 1’ 
Ŝ
Ciclos de Potencia 183 
dar lugar a la formación de mezclas de líquido y vapor. Para evitar esto último, en 
la etapa 5 a 6 se subenfría el líquido saturado, asegurando que nada de vapor 
ingresará al compresor. 
 
 
 
Ciclo de Rankine con Recalentamiento Intermedio 
 
 
La mayor cantidad de energía consumidaen la Caldera corresponde a la 
vaporización completa del líquido saturado. 
 
 
Las temperaturas máximas de operación en el Sobrecalentador, de acuerdo a la 
resistencia mecánica de los materiales de construcción, normalmente no pueden 
superar los 1100 °F. Ello limita la presión máxima de operación si se requiere 
mantener la condición de vapor sobrecalentado al fluido de trabajo de turbina. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
La solución a este problema es el recalentamiento intermedio del vapor en la 
Turbina. 
PH (constante) 
PL (constante) 
T 
TH 
TL 
4
1 2
3
5 
6 
MAX
Ŝ
Max
HT
Ciclos de Potencia 184 
En este ciclo se sobrecalienta el vapor hasta la temperatura máxima. Se expande 
isoentrópicamente hasta una presión intermedia entre la del condensador y caldera. 
Se sobrecalienta el vapor una vez más a presión constante y luego se expande 
isoentrópicamente hasta la presión del condensador. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
T 
TH 
TL 
4
1 2
3
5 
6 
PH (constante) 
PL (constante) 3′ 
2′ 
Ŝ
Caldera 
6 
QH(+)
Turbina 
3 
Sobrecal Precal 
5 
4 
Condensador QL(-)
2 
1 
Compresor 
2′ 3′ 
Recal Boiler 
WST(-) 
WSC(+) 
Ciclos de Potencia 185 
Ciclo de Rankine Regenerativo 
 
La eficiencia térmica del ciclo de Rankine con recalentamiento, puede ser 
incrementada empleando intercambiadores de calor regenerativos: una porción del 
vapor que abandona la turbina de alta presión es empleado para precalentar el 
líquido que ingresará a la caldera. 
 
De esta manera se logra aumentar la temperatura promedio de a la cual se adiciona 
calor en la caldera al fluido. Ello trae como consecuencia un aumento en la 
eficiencia térmica del ciclo. 
 
Ciclo de Rankine Regenerativo Abierto: Existe mezclado directo corrientes de 
vapor y líquido. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Es común que existan tres precalentadores, con sus correspondientes compresores, 
considerando que un número mayor significa aumentar el costo de trabajo, 
disminuyendo la eficiencia. 
Turbina de Alta 
Presión 
Condensador
QL(-)
Precalentador 
Compresor 2 
Compresor 1 Turbina de Baja 
Presión 
Caldera QH(+)
Sobrecal Precal 
Recal 
WSC2 (+) 
WSC1 (+) 
WST1(-) 
WST2 (-) 
Ciclos de Potencia 186 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ciclo de Rankine Regenerativo Cerrado: El intercambio de calor entre corrientes, 
se hace a través de una superficie. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
T 
TH 
TL 
PH (constante) 
PL (constante) 
Ŝ
WSC(+) 
Turbina de Alta 
Presión 
Condensador QL(-)
Precalentador 
Compresor Turbina de Baja 
Presión 
Caldera QH(+)
Sobrecal Precal 
Recal 
WST1 (-) 
WST2 (-) 
Ciclos de Potencia 187 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
T 
TH 
TL 
PH (constante) 
PL (constante) 
Ŝ