Trabaj o de Invest igació Ciclo n an!ine Maqui nas Asignatura: Térmi Maquinas Térmicas casProfeso:
Ci b r i a nV a l d i v i aGu t i e r r e z
Alumno: Merlo Astudillo, Cesar Fernando Año: 2014
EL CICLO RANKINE IEAL RE!ENERATI"O Introducción# "n e#amen cuidadoso cuidadoso del diagrama T$s T$s del ciclo an!ine di%u&ado di%u&ado en la 'gura re(ela que el calor se trans'ere trans'ere al )uido de tra%a&o tra%a&o durante el *roceso 2$2+ a una tem*eratura relati(amente %a&a -sto reduce la tem*eratura *romedio a la que se añade el calor . *or consiguiente la e'ciencia del ciclo
7a *rimera *arte del *roceso de adicin 8e calor en la caldera sucede a tem*eraturas elati(amente %a&as
Para remediar esto, %uscamos la manera de ele(ar la tem*eratura del l/quido que sale de la %om%a llamado agua de alimentacin antes de que entre a la caldera "na *osi%ilidad es transferir calor al agua de alimentacin del (a*or de e#*ansin en un intercam%iador de calor a contra)u&o integrado a la tur%ina, esto es, utili3ar regeneracin in em%arg em%argo, o, esta soluc solucin in no es *r5cti *r5ctica ca de%ido de%ido a que es dif/cil dif/cil diseñar un intercam%iador de calor *orque incrementar/a el contenido de 6umedad del (a*or en las eta*as 'nales de la tur%ina
"n *roceso de regeneracin es *ractico en las centrales eléctricas de (a*or se lograra con la e#traccin o 9drenado 9drenado o 9*urga del (a*or de la tur%ina en di(ersos *untos -ste (a*or, que *odr/a *roducir m5s tra%a&o si se e#*andiera a;n m5s en la tur% tur%in ina, a, se util utili3 i3a a en cam cam%io %io *ara *ara cale calen ntar tar el agua agua de alimentacin -l dis*ositi(o donde el agua de alimentacin se calienta mediante regen egener erac aci in n se llam llama a regen egener erad ado or o cale calen ntado tadorr de agua agua de alimentacin CAA 7a gene genera raci cin n no solo solo me&o me&ora ra la e' e'ci cien enci cia a del del cicl ciclo, o, tam% tam%ié ién n *ro* *ro*or orci cion ona a un medi medio o de con( con(en enie ient nte e de desa desair irar ar el agua agua de alimentacin al eliminar el aire que se 'ltra al condensador *ara e(itar la corrosin de la caldera Asimismo, a.uda a controlar el gran )u&o (olumétrico del (a*or en las eta* eta*as as 'nal 'nales es de la tur% tur%in ina a de% de%id ido o a los los gran grande des s (ol; (ol;me mene nes s es*ec/'cos a %a&as *resiones Por consig consiguien uiente te la regen regenera eraci cin n se utili3a utili3a en todas todas las centra centrales les eléctricas de (a*or modernas desde su introduccin a *rinci*ios de la década de 1<20 "n calentador de agua de alimentacin es un intercam%iador intercam%iador de calor donde este se trans'ere del (a*or al agua de alimentacin mediante la me3c me3cla la de am%o am%os s )u&o )u&os s de )uido uido cal calen enta tado dorres de agua agua de alimen alimenta taci cin n a%ierto a%iertos s o sin me3cla me3clarlo rlos s calen calentad tador ores es de agua agua de alimentacin cerrados 7a regen egener erac aci in n con con am%o am%os s ti*o ti*os s de cale calent ntad ador ores es de agua agua de alimentacin se estudian a continuacin
is$ositivos uti%i&ados $ara %a regeneración Ca%entadores abiertos de agua de a%imentación# "n calentador a%ierto de agua a gua de alimentacin o de contacto directo es %5sicamente una c5mara de me3clado en la que el (a*or e#tra/do de la tur%ina se me3cla con el agua de alimentacin que sale de la %om%a =dealmente, la me3cla sale del calentador como l/quido saturado a la *resin del calentador calentador -l esquema de la central eléctrica de (a*or con un calentador a%ierto de agua de alimentacin denominado tam%ién ciclo regenerati(o de una sola eta*a . el diagrama T$s T$s del ciclo se muestran en la 'gura
Ciclo an!ine ideal regenerati(o con un calentador a%ierto de -n un ciclo ciclo an!i an!ine ne ideal ideal regene regenerati( rati(o, o, el (a*or (a*or entra entra a la tur%in tur%ina a a la *resin de la caldera estado > . se e#*ande isentr*icamente 6asta una *resin intermedia estado ? e e#trae un *oco de (a*or en este estado . se en(/a al calentador de agua de alim alimen enta taci cin n,, mien mientr tras as el (a*o (a*orr resta estant nte e cont contin; in;a a su e#*a e#*ans nsi in n isentr*ica 6asta la *resin del condensador esta do @ -ste (a*or sale del condensador como l/quido saturado a la *resin del condensador estado 1
-l agua condensada, que tam%ién es llama da agua de alimentacin, entra des*ués a una %om%a isentr*ica, donde se com*rime 6asta la *resin del calentador del agua de alimentacin estado 2 . se en(/a al calentador de agua de alimentacin, donde se me3cla con el (a*or e# tra/do de la tur%ina
7a fraccin del (a*or e#tra/do es tal que la me3cla sale del calentador como l/quido satura do a la *resin del calentador estado "na segunda Bom% Bom%a a ele( ele(a a la *res *resi in n del del agua agua 6ast 6asta a la *res *resi in n de la cald caldera era estado 4 -l ciclo se com*leta con el calentamiento del agua en la caldera 6asta el estado de entrada de la tur%ina estado > Al anali3ar centrales eléctricas de (a*or es m5s con(eniente tra%a&ar con cantidades e#*resadas *or unidad de masa del (a*or que circula *or la caldera Por cada 1 !g de (a*or que sale de la caldera, . !g se e#*anden de manera *arcial en la tur%ina . se se e#traen en el estado ? -l rest resto o 1$. 1$. !g se e#*a e#*and nde e *or *or com* com*let leto o 6ast 6asta a la *res *resi in n del del condensador Por consiguiente, los )u&os m5sicos son diferentes en distintos com*onentes
Por e&em*lo, si el )u&o m5sico a tra(és de la caldera es 1 $ .
m ´
m ´
, ser5 de
a tra(és del condensador -ste as*ecto del ciclo an!ine
regenerati(o de%e considerarse en el an5lisis del ciclo as/ como en la inte inter* r*rretac etaci in n de las las 5rea 5reas s en el diag diagra rama ma T$s $s -l calo calorr . las las intera interacci ccion ones es de tra%a& tra%a&o o de un ciclo ciclo an!i an!ine ne regen regenera erati( ti(o o con un
calentador de agua de alimentacin *ueden e#*resarse *or unidad de masa de (a*or que )u.e a tra(és de la caldera
Ca%entadores cerrados de agua de a%imentación# tro ti*o de calentador de agua de alimentacin frecuentemente utili3ado en las centrales eléctricas de (a*or es el calentador cerrado de agua de alimentacin, en el cual el calor se trans'ere del (a*or e#tra/do 6acia el agua de alimentacin sin que suceda ninguna me3cla 7os dos )u&os *ueden estar a *resiones diferentes -l esquema de la central eléctrica de (a*or con un calentador cerrado de agua de alimentacin . el diagrama T$s T$s del ciclo se muestran
Ciclo an!ine ideal regenerati(o con un cale calenta ntador dor a%ie a%ierto rto de de a ua de
-n un calentador cerrado de agua de alimentacin ideal el agua de alimentacin se calienta 6asta la tem*eratura de salida del (a*or e#tra/do, que idealmente sale del calentador como l/quido saturad a la *resin de e#traccin -n las centrales eléctricas reales, el agua de alimentacin sale del calentador a una tem*eratura menor que la de salida del (a*or e#tra/do *or que se requiere una diferencia de tem*eratura de al menos unos cuantos grados *ara que se lle(e a ca%o cualquier transferencia de calor efecti(a 8es*ués, el (a*or condensado se %om%ea a la l/nea del agua de alimentacin o se en(/a a otro calentador o al condensador mediante un dis*ositi(o llamado tram*a, el cual *ermite *e rmite que el l/quido sea estrangulado 6asta una regin de *resin inferior, *ero atra*a el (a*or 7a ental*/a del (a*or *ermanece constante durante este *roceso de estrangulacin 7os calentadores a%iertos . cerrados de agua de alimentacin *ueden ser com*arados de la siguiente manera 7os a%iertos son sim*les . econmicos . tienen %uenas caracter/sticas *ara la transferencia de calor Tam%ién Tam%ién lle(an lle(an al agua de alimentacin al al estado de saturacin in in em%argo, cada calentador requiere una %om%a *ara mane&ar el agua de alimentacin Por su *arte, los cerrados son m5s com*le&os de%ido a la red de tu%er/as internas, de manera que resultan m5s caros 7a transferencia de calor en los calentadores cerrados de agua de alimentacin es menos efecti(a *orque no se *ermite que los dos )u&os entren en contacto directo Do o%stante, los calentadores cerrados de agua de alimentacin no requieren una %om%a inde*endiente *ara cada calentador, .a que el (a*or e#tra/do . el agua de alimentacin *ueden estar a *resiones diferentes 7a ma.or *arte de las centrales eléctricas de (a*or utili3an una com%inacin de calentadores a%iertos . cerrados, como se muestra en la 'gura
Eenta&as: •
•
•
•
•
7a e'ciencia térmica del ciclo an!ine aumenta como resultado de la regeneracin -sto -sto se de%e de%e a que que la regen egener erac aci in n ele( ele(a a la tem* tem*er erat atur ura a *romedio a la que el calor se trans'ere al (a*or en la caldera aumentando la tem*eratura del agua antes de que entre a la caldera 7a e'ciencia del ciclo se increment incrementa a a;n m5s cuando cuando aumenta aumenta el n;mero de calentadores de agua de alimentacin Muc6as grandes centrales que o*eran en la actualidad utili3an 6asta oc6o calentadores de agua de alimentacin el n;mero *timo se determina con %ase en consideraciones econmicas -l uso de un calentador de agua de alimentacin adicional no *uede ser &usti'cado a menos que a6orre m5s en relacin con los costos del com%usti%le que se gast en su *ro*io costo
Ejem$%o#
-n un ciclo an!ine el (a*or sale de la caldera . entra a la tur%ina a ?00 l% f G *l2 . H00IF 7a *resin en el condensador es de 1 l% f G*l2 Calcule el rendimiento del ciclo 8atos: P J ?00 *sia T J H00IF H00IF P4 J 1 *sia (1 J (f1 P4 J P1 P J P2 1K le. 1L2 J m62 61 N -c N -* N 1O2 1q2 J 62 61 N 12 Tra%a&o Tra%a&o de la %om%a u*oniendo u*oniendo que el agua es agua es un liquido incom*resi%le incom*resi%le . un *roceso adia%5tico re(ersi%le (1 J (2 J (f1J 001?14 ftG l%m B J 61 62 J (P1 P2 J 001?14Q1$?00 J $<??@H *sia$ftGl%m B J $1@H<4 BT"Gl%m 61 J 6f1 J ?<@ BT"Gl%m 62 J 61 $ B J @14H<4 BT" G l%m Calor añadido *ara la caldera 6 J 140@@ BT"Gl%m 2q J 6 62 J 1?210? BT"Gl%m Tra%a&o Tra%a&o *roducido *roducido *or la tur%ina s J 1?4 J s4 R4 J s sf4Gsfg4 J 1?4 012?G1H4>? J 0H1? J H1? S 64 J 6f N R6fg J <12<1 BT"Gl%m T J 6 64 J 140@@ <12<1 J 4<4@<< BT" G l%m -'ciencia total 6J Gq J 4<4@<< 1@H<4G1?210? J ?H< S "sando el e&em*lo anterior, considerar un ciclo con recalentamiento donde se e#trae el (a*or a ?0 l%fG*l2 . se recalienta 6asta H00IF "sando los resultados anteriores 61 J ?<@ BT" G l%m B J $1@H<4 BT" G l%m 62 J @14H<4 BT" G l%m 6 J 140@@ BT" G l%m Calculando el tra%a&o *ara la tur%ina T J 6 64 N 6> 6? s J s4 R4 J s sf4Gsfg4 J 1?4 042@0G121?H J 0<<22 J <<22 S 64 J 6f N R6fg J 2?20< N 0<<22Q<1>> J 11@0442 BT"Gl%m s>Js? R4 J s> sf?Gsfg? J 1<01> 012?G1H4>? J 0<>H4 J <>H4 S 6? J 6f N R6fg J ?<@0 N 0<>H4Q10? J 10?2<1 BT"Gl%m
Calor Total en la Caldera q TTA7 J q caldera N q recalentamiento J 6 62 N 6> 64 J 1>$10?2<1$1@H<4 G 140@@$@14H<4N140>$11@0442 J 0@@H J @@HS Dtese como la e'ciencia total su%e mu. *oco de ?HH4S A6ora consideremos el *rimer e&em*lo *ero con regeneracin e e#trae el (a*or a ?0 l%fG*l2 *ara llegar a un calentador de contacto directo 7a *resin en el calentador es de ?0 l%fG*l2 . el agua agua sale sale como liquido saturado a la misma *resin "sando los datos datos o%tenidos o%tenidos de los *ro%lemas anteriores: 8e 1 6> J 140@@ BT"Gl%m 6@ J <12<1 BT"Gl%m 8e 2 6? J 11@0442 BT"Gl%m 61 J ?<@ BT"Gl%m (1 J (1f U 1 *sia s>Js?Js@ Calculando el tra%a&o *ara la %om%a de %a&a *resin B P1 J 1 *sia P2 J P J P? J ?0 *sia BB J 61 62 J (1QP1 P2 J $01@?2? BT"Gl%m 62 J 61 BB J ?<H@? BT"Gl%m A6ora *ara la %om%a de alta *resin A P4 J P> J ?00 *sia 6 J 6f U ?0 *sia J 2?20< BT"Gl%m ( J (f J 001@H ftGl%m BA J 6 64 J (QP P4 J $1@@1 BT"Gl%m 64 J 6 BA J 2?H2@1 BT"Gl%m -l tra%a&o *ro*orcionado *or la tur%ina es: T J 6> 6? N 1$.6? 6@ m16? Nm262 J mT6 .6? N 1$.62 J 1Q6 . J 6 62G6? 62 J 01@4? T J 140@@ $ 11@0442 N 1 $ 01@4?11@0442 <12<1 J 44<H24H BT"Gl%m Calor añadido a la caldera: 4q> J 6> 64 J 114H@2< BT"Gl%m Calculando la e'ciencia: 6J Gq J T N 1$ .BB N BAG4q> J 44<H24H 1$1@4?01@?2? 1@@1G114H@2< J 44@<422G114H@2< J 0<1? J <1? S Con este e&em*lo (emos que la e'ciencia salta a un (alor (alor ma.or ma.or al que se logra con el recalentamiento, *ero 6aciendo uso de este método
regresamos a una calidad inferior a la salida de la tur%ina que la lograda con el ciclo an!ine con recalentamiento Com%inando am%os métodos *odr/amos o%tener una e'ciencia *arecida a la del ciclo con regeneracin con una calidad *arecida a la del recalentamiento
