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UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA Centrales de Generación Examen Parcial 2022-1 Nombres: • Jean David Ramírez Aldana • Sebastián Hincapie Colorado Fecha: 16/09/2022 NOTAS: Se deben sustentar todas las respuestas. Donde haya cálculos a realizar, se deben efectuar las conversiones al SI de unidades 1. Describa cada componente del diagrama en bloques, identifique el ciclo termodinámico completo y señale donde se presentan las diferentes fases del ciclo identificado. Diagrama de flujo de vapor de agua. Ciclo: El proceso térmico corresponde a el ciclo Rankine, donde se pueden aprovechar el calor residual de la condensación para la cogeneración. El proceso es: Proceso 1-2: compresión isentrópica en la bomba. El fluido de trabajo se bombea de baja a alta presión. Como el fluido es un líquido en esta etapa, la bomba requiere poca energía de entrada. Proceso 2-3: adición de calor a presión constante en la caldera. El líquido de alta presión ingresa a una caldera, donde se calienta a presión constante mediante un proceso isobárico por una fuente de calor externa para convertirse en un vapor seco saturado. En esta fase se realiza un cambio de fase del agua de líquido a gas. Proceso 3-4: expansión isentrópica en turbina. El vapor seco saturado se expande a través de una turbina de vapor, generando energía. Desde un punto de vista termodinámico, esto disminuye la temperatura y la presión del vapor, y puede ocurrir algo de condensación. Proceso 4-1: rechazo de calor a presión constante en el condensador, proceso isobárico. El vapor húmedo ingresa a un condensador, donde se condensa a una presión constante para convertirse en un líquido saturado. Descripción de cada componente • La caldera (Boiler) es un recipiente cerrado en el que el agua, bajo presión, se convierte en vapor. El calor se transfiere a la caldera mediante los tres modos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. Los principales tipos de calderas son: Caldera pirotubular Caldera acuotubular • La función del supercalentador (Superheater) La función del supercalentador es eliminar la última basura de humedad del vapor saturado que sale de los tubos de la caldera y también aumenta su temperatura por encima de la temperatura de saturación. Para ello se aprovecha el calor de los gases de combustión del horno. Vapor sobrecalentado es aquel vapor que contiene más calor que el vapor saturado a la misma presión. El calor adicional proporciona más energía a la turbina, por lo tanto, la potencia de salida es más. El vapor sobrecalentado provoca una menor erosión de los álabes de la turbina y se puede transmitir a una distancia más larga con poca pérdida de calor. Un sobrecalentador puede ser de tipo convencional, radiante o combinado. Sin embargo, los sobrecalentadores convencionales son los más utilizados. • La función del recalentador (feed water pump) es recalentar el vapor parcialmente expandido de la turbina, lo que garantiza que el vapor permanezca seco en la última etapa de la turbina. Un recalentador puede ser de tipo convencional, radiante o combinado. • Economizador (economizer) ayuda a recuperar el calor de los gases de combustión. El economizador por sí solo proporciona un aumento de la eficiencia de solo un 10-12 %, provoca un ahorro de combustible consumo 5-15 % • Desaireadores (deaerators) Un desaireador es un dispositivo que se usa ampliamente para eliminar oxígeno y otros gases disueltos del agua de alimentación a las calderas generadoras de vapor. En particular, el oxígeno disuelto en las aguas de alimentación de las calderas causará graves daños por corrosión en los sistemas de vapor al adherirse a las paredes de las tuberías de metal y otros equipos metálicos y formar óxidos (herrumbre). • Condensador (condenser) La función del condensador es condensar el vapor que sale de la turbina. El condensador ayuda a mantener baja la presión en el escape. • Torre de enfriamiento (cooling tower) ayuda a enfriar el agua que recientemente fue trasformada del vapor. Los condensadores necesitan una gran cantidad de agua para condensar el vapor. El agua es conducida a las plantas por medio de bombas de circulación de agua y después de pasar a través del condensador se descarga de nuevo al río. Si no se dispone de una fuente de este tipo, se utiliza un circuito cerrado de agua de refrigeración en el que el agua caliente el agua que sale del condensador se enfría y se reutiliza. En tales casos se utilizan estanques y torres de enfriamiento donde el agua pierde calor a la atmósfera. • Feed water pump Estos calentadores se utilizan para calentar el agua de alimentación mediante mezcla de vapor antes de que se suministre a la caldera. La necesidad de calentar el agua de alimentación antes de devolverla a la caldera surge debido a las siguientes razones. El calentamiento del agua de alimentación mejora la eficiencia general. El oxígeno disuelto, que de otro modo provocaría la corrosión de la caldera, se elimina en el calentador de agua de alimentación.calentador de agua de alimentación. • Turbina de vapor (steam Turbine) gira gracias a la energía cinética del vapor. El vapor que entra por una pequeña abertura alcanza una velocidad muy alta. La velocidad alcanzada durante la expansión depende del contenido inicial y final del vapor. La diferencia en el contenido de calor inicial y final representa la energía térmica que se convertirá en energía cinética. Hay dos tipos de turbinas de vapor: Turbina de impulso y Turbina de reacción 2. Determine el calor que se suministrará a una máquina de Carnot que opera entre 400 °C y 15 °C y produce 200 kJ de trabajo. Hallamos la eficiencia: Pasamos a unidades absolutas en este caso a Kelvin 400 + 273 = 673 𝐾𝐾 15 + 273 = 288 𝐾𝐾 Por definición la eficiencia en una maquina térmica es: 𝑛𝑛 = 1 − 𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑇𝑇ℎ = 1 − 288 673 = 0.5720 𝑄𝑄ℎ = 𝑊𝑊𝑛𝑛𝑊𝑊𝑊𝑊𝑜𝑜 𝑛𝑛 = 200 𝑘𝑘𝑘𝑘 0.5720 = 349.65 𝐾𝐾𝑘𝑘 3. ¿Cuál sería la máxima eficiencia que puede tener una máquina térmica entre las temperaturas de 1150ºC y 27ºC? Pasamos a kelvin 1150 + 273 = 1423 𝐾𝐾 27 + 273 = 300 𝐾𝐾 Por definición la eficiencia en una maquina térmica es: 𝑛𝑛 = 1− 𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑇𝑇ℎ = 1− 300 1423 = 0.7891 ⋅ 100% = 78.91 % 4. El diagrama T-S de la siguiente figura corresponde a un ciclo: A) Brayton B) Rankine C) De Carnot D) Ninguna de la anteriores El ciclo se compone de cuatro pasos: • C→D Absorción de calor Qc en un proceso isotermo a temperatura Tc, que corresponde a un segmento horizontal hacia la derecha. • D→A Enfriamiento adiabático hasta la temperatura del foco frío, Tf, representable por un segmento vertical hacia abajo. • A→B Cesión de calor | Qf | al foco frío a temperatura Tf, que corresponde a un segmento horizontal hacia la izquierda. • B→C Calentamiento adiabático desde la temperatura del foco frío, Tf a la temperatura del foco caliente, Tc. De nuevo obtenemos un segmento vertical, ahora hacia arriba. 5. En sistema inglés, el calor se mide en A) HR B) Calorías C) BTUs D) Ninguna de las anteriores En el sistema de unidades anglosajón se usa la BTU, que se define como la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua en condiciones atmosféricas normales 6. En el SI de unidades, el flujo de calor se mide en A) Vatios B) Calorías C) BTUs D) Ninguna de las anteriores El flujo de calor o flujo térmico, a veces también conocido como densidad de flujo de calor o intensidad de velocidad de flujo de calor es un flujo de energía por unidad de área por unidad de tiempo. En SI, sus unidades son vatios por metro cuadrado (W⋅m−2). 7. En una turbina a gas, la función del motor de arranque es El motor de arranque sirve para ayudar al arranque de la turbina, se conecta durante el arranque y se desconectara luego de que la turbina ha iniciadosu proceso. 8. En una turbina a gas, el número álabes en la etapa de compresión es A) Mayor que en la etapa de expansión B) Igual a los de la etapa de expansión C) Menor que en la etapa de expansión D) Todas las anteriores Se observa en la siguiente imagen donde se puede observar los alabes en la zona de compresión y expansión: El numero de alabes en la etapa de compresión es mayor que en la etapa de expansión. 9. Para quemar 2Kg de CH4, en promedio se requieren A) 7.45Kg de aire B) 29.8Kg de aire C) 14,9Kg de aire D) Ninguna de las anteriores Compuesto----- Densidad 𝐶𝐶ℎ4 0.657 𝐾𝐾𝐾𝐾/𝑚𝑚3 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 1.29 𝐾𝐾𝐾𝐾/𝑚𝑚3 𝑉𝑉𝑐𝑐ℎ4 = 2 𝑘𝑘𝐾𝐾 0.657 𝐾𝐾𝐾𝐾/𝑚𝑚3 = 3.04 𝑚𝑚3 Ahora con la relación dada 0.03𝑚𝑚3(𝐶𝐶ℎ4) → 0.28𝑚𝑚3 (𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴) 3.04𝑚𝑚3(𝐶𝐶ℎ4) → 𝑥𝑥 𝑚𝑚 = 28.37𝑚𝑚3 (𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴) ∗ 1.29 𝑘𝑘𝐾𝐾 𝑚𝑚3 𝑚𝑚 = 36.6 𝐾𝐾𝐾𝐾 (𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝑊𝑊) 10. Los tipos de cámaras de combustión de las turbinas de gas se clasifican en Cámara de combustión múltiple, Cámara de combustión de bote anular, Cámara de combustión anular o única, Cámaras de Flujo Reversible 11. Las diferencias entre el supercalentador, el recalentador y el economizador son El supercalentador calienta el vapor por encima de la temperatura desaturación después de que este salga del domo, el recalentador calienta nuevamente el vapor para hacer rotar las turbinas de baja presión e intermedia presión. El economizador usa el calor de los gases de salida para calentar el agua que llega a la caldera. 12. Los mecanismos de engranaje de giro se emplean en las turbinas De vapor con el fin de causar una rotación lenta del rotor de la turbina, siempre que esta se ponga en marcha, se apague, o en otros momentos en que sea necesario mover el rotor a una posición diferente. 13. Una máquina térmica tiene un flujo de calor de entrada de 1 MW desde una fuente de calor a 550 °C, y un rechazo de calor a la atmósfera o sumidero (la cual se encuentra a 300 K), mientras produce una potencia de 450 kW. El flujo de calor rechazado es de A) 550 kW B) 450 kW C) 500 MW D) Ninguna de las anteriores Pasamos a kelvin 𝑊𝑊 = 450 𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑄𝑄𝐿𝐿 = 𝑄𝑄ℎ −𝑊𝑊𝑛𝑛 = 1 ∗ 106 − 450 ∗ 103 = 550𝑘𝑘𝑊𝑊 14. La eficiencia de la máquina térmica anterior es de A) 45% B) 63.5% C) 33% D) Ninguna de las anteriores 𝑛𝑛 = 𝑘𝑘 𝑄𝑄ℎ = 450 ∗ 103 1 ∗ 106 = 0.45 ∗ 100 = 45% Alternativamente: 𝑛𝑛 = 1 − 𝑄𝑄𝐿𝐿 𝑄𝑄ℎ = 1 − 550 ∗ 103 1 ∗ 106 = 0.45 ∗ 100 = 45% 15. La eficiencia de Carnot de la máquina térmica anterior es de A) 45% B) 63.5% C) 33% D) Ninguna de las anteriores Pasamos a unidades absolutas en este caso a Kelvin Fuente de calor 550 + 273 = 823 𝐾𝐾 Sumidero 300𝐾𝐾 𝑛𝑛𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑛𝑛𝑐𝑐𝑐𝑐 = 1 − 𝑇𝑇𝐿𝐿 𝑇𝑇ℎ = 1 − 300 823 = 0.6354 ∗ 100 = 63.54% 16. La diferencia entre cogeneración y ciclo combinado es La cogeneración utiliza el calor residual para muchos procesos diferentes, como la calefacción o el secado de espacios. La generación de energía de ciclo combinado es un proceso de generación de electricidad de dos ciclos que utiliza el calor del primer ciclo para ejecutar un segundo ciclo. 17. Describa la siguiente central térmica, indicando los ciclos termodinámicos empleados, esquematizando estos ciclos y sus fases características (istérmicos, isoentrópicos) y describiendo cada una de sus componentes. El esquema anterior hace referencia a un ciclo combinado en este caso de ciclo combinado Brayton y Rankine. Descripción de cada componente • Boiler feed pump: Sirven para alimentar un generador de vapor como una caldera o un reactor nuclear con una cantidad de agua de alimentación correspondiente a la cantidad de vapor emitida. Actualmente, todas las bombas de alimentación de calderas son bombas centrífugas. • Combustion chamber: La sección caliente de una turbina de gas comienza con la sección de combustión e incluye la turbina y los componentes del sistema de escape. La sección caliente está sujeta a los más severos esfuerzos del motor y requiere una cuidadosa inspección y mantenimiento. Un tipo de daño considerable son las grietas originadas por el calor extremo al cual estas piezas están expuestas. • Condensate extraction pump:extrae el agua condensada del condensador y la bombean a través del sistema de pulido de condensado y los calentadores LP al tanque de agua de alimentación del desaireador. • Gas turbines: es un tipo de motor de combustión interna de flujo continuo. • Steam Turbine: gira gracias a la energía cinética del vapor. El vapor que entra por una pequeña abertura alcanza una velocidad muy alta. La velocidad alcanzada durante la expansión depende del contenido inicial y final del vapor. La diferencia en el contenido de calor inicial y final representa la energía térmica que se convertirá en energía cinética. Hay dos tipos de turbinas de vapor: Turbina de impulso y Turbina de reacción CICLOS COMBINADOS Y COGENERACIÓN Una planta de ciclo combinado consiste en la integración de dos o más ciclos termodinámicos energéticos. Para lograr una conversión de la energía aportada en trabajo, lo más completa y eficiente posible. En la actualidad, el concepto de ciclo combinado se aplica a un sistema compuesto por una turbina de gas, un generador de vapor recuperador de calor y una turbina de vapor. Es combinar un ciclo Brayton de gases a alta temperatura y un ciclo Rankine de media o baja temperatura, de forma que el calor residual de escape del ciclo Brayton sea el calor aportado al ciclo Rankine. CICLOS COMBINADOS Y COGENERACIÓN El problema que se plantea radica en la necesidad de maximizar la eficiencia a un coste económico. Cuando el generador de vapor recuperador de calor suministra, al menos, una parte del vapor para un proceso, la aplicación se denomina cogeneración. SISTEMA DE CICLO COMBINADO SIMPLE Consta de: Un grupo simple turbina de gas-alternador. Un generador de vapor recuperador de calor (HRSG). Un grupo simple turbina de vapor —alternador. Un condensador. Sistemas auxiliares. Si las regulaciones medioambientales lo requieren, en el generador de vapor se puede integrar un sistema de reducción selectiva catalítica (SCR), para controlar las emisiones de Nox. Resulta particularmente atractivo, porque este catalizador se puede ubicar en un recinto de temperatura óptima dentro del (HRSG). 18. Describa la siguiente central térmica, indicando los ciclos termodinámicos empleados, esquematizando estos ciclos y sus fases características (istérmicos, isoentrópicos) y describiendo cada una de sus componentes Este es Ciclo abierto de Brayton Como la mayoría de las turbinas de gas se basan en el ciclo Brayton con combustión interna (por ejemplo, motores a reacción), se basan en el ciclo abierto de Brayton. En este ciclo, el aire de la atmósfera ambiente es comprimido a una presión y temperatura más altas por el compresor. En la cámara de combustión, el aire se calienta aún más quemando la mezcla de combustible y aire en el flujo de aire. Los productos de combustión y los gases se expanden en la turbina a presión cercana a la atmosférica (motores que producen energía mecánica o eléctrica) o a la presión requerida por los motores a reacción. El ciclo abierto de Brayton significa que los gases se descargan directamente a la atmósfera. Componentes Admisión El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina Compresor El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática A→B. Cámara de combustión En la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento semodela como un proceso isóbaro B→C. Turbina El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática C →D. Escape Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior. Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la aproximación de suponer una recirculación. En este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya frío. En el diagrama PV esto corresponde a un enfriamiento a presión constante D→A. http://laplace.us.es/wiki/index.php/Archivo:Ciclo-brayton.png El ciclo de Brayton a menudo se representa en un diagrama de volumen de presión (diagrama pV ) y en un diagrama de temperatura-entropía ( diagrama Ts ). Cuando se trazan en un diagrama de volumen de presión, los procesos isobáricos siguen las líneas isobáricas para el gas (las líneas horizontales), los procesos adiabáticos se mueven entre estas líneas horizontales y el área delimitada por la ruta completa del ciclo representa el trabajo total que se puede hacer durante uno ciclo. El diagrama de temperatura-entropía (diagrama Ts) en el que el estado termodinámico se especifica mediante un punto en un gráfico con entropía específica (s) como eje horizontal y temperatura absoluta (T) como eje vertical. Los diagramas Ts son una herramienta útil y común, particularmente porque ayuda a visualizar la transferencia de calor durante un proceso. Para procesos reversibles (ideales), el área bajo la curva Ts de un proceso es el calor transferido al sistema durante ese proceso 19. Realice un bosquejo de del ciclo termodinámico de la siguiente central térmica, relacionando los cambios de estado entre las fases indicadas numéricamente. Es un Ciclo Rankine ideal con recalentamiento, su ciclo termodinámico es: Uno de los problemas para aumentar la eficiencia del ciclo de Rankine ideal es el contenido de humedad del vapor en las etapas finales de la expansión. Una turbina de dos etapas, con recalentamiento en el medio, es la solución al problema de humedad excesiva en las turbinas y se usa comúnmente en plantas de energía de vapor reales. El único propósito del ciclo de recalentamiento es reducir el contenido de humedad del vapor en las etapas finales del proceso de expansión. 20. Describa la siguiente central térmica, indicando los ciclos termodinámicos empleados, esquematizando estos ciclos y sus fases características (istérmicos, isoentrópicos) y describiendo cada una de sus componentes. La diferencia entre el ciclo Rankine ideal simple y el ciclo de recalentamiento ideal, es que el proceso de expansión ocurre en dos etapas. En la primera etapa, la etapa de alta presión, el vapor se expande isentrópicamente a una presión intermedia y se envía de regreso a la caldera, donde se recalienta a presión constante, a la primera temperatura de entrada. En la segunda etapa, la etapa de baja presión, el vapor se expande isentrópicamente a la presión del condensador. Un solo proceso de recalentamiento en una planta de energía moderna mejora la eficiencia del ciclo entre un 4 y un 5 por ciento al aumentar la temperatura promedio a la que el calor se transfiere al vapor. Se pueden usar más procesos de recalentamiento, pero, debido al costo agregado y la complejidad para modificar el ciclo, no es práctico usar más de dos procesos de recalentamiento. De acuerdo al diagrama anterior punto 19 en 1-2 partimos de un líquido saturado isentrópicamente porque estamos hablando del ideal, se expande hasta un líquido comprimido a la presión alta, en la caldera se convierte en un vapor sobrecalentado en 3 y se expande isentrópicamente en la turbina de alta presión antes de que sea vapor saturado o mezcla, en la mezcla ya se forman las gotas se vuelve a recalentar pero ahora a una presión intermedia, usualmente se recalienta la misma temperatura que la primera turbina y luego en la turbina de baja presión se expande hasta la presión del condensador . la presión baja allí, se pierde calor hasta regresar a líquido saturado y nuevamente se repite el ciclo Cada uno de estos estados va a tener asociadas unas propiedades, por ejemplo: En el estado 1 es líquido saturado ℎ1, 𝑠𝑠1 es líquido saturado a la presión baja. ℎ2, 𝑠𝑠2 es líquido comprimido a la presión alta. 𝑠𝑠1 = 𝑠𝑠2 porque la bomba es isentrópica estamos hablando del ciclo ideal. ℎ3 𝑦𝑦 𝑠𝑠3 es las propiedades a presión y temperatura altas. ℎ4 es la salida de la turbina de alta presión va a ser a la presión intermedia 𝑆𝑆3 o sea, la entropía a la entrada de la turbina es igual a la entropía la salida porque es una turbina ideal es isentrópica entropías iguales. ℎ5 𝑦𝑦 𝑠𝑠5 son las propiedades a la temperatura de recalentamiento que a veces es la misma entrada y a la presión intermedia. ℎ6 𝑦𝑦 𝑆𝑆6 son las propiedades a la presión baja por supuesto vamos a saber que la entropía 6 es igual a la entropía 5 porque la turbina de baja presión también es ideal entonces la entropía de entrada es igual a la entropía de salida porque es una turbina ideal por lo tanto es adiabática y es reversible quiere decir que no hay reversibilidad. Componentes: Condensador Bomba Caldera Turbina: Turbina de alta y baja presión
