CEntral Termica

2. Antecedentes.

Ciclo ideal Rankine.

El ciclo de Rankine es el ciclo ideal que sirve de base al funcionamiento de las centrales térmicas con turbinas de vapor, las cuales producen actualmente la mayor parte de la energía eléctrica que se consume el mundo.

El ciclo ideal Rankine (ver figura ) no incluye ninguna irreversibilidad interna y está compuesto por los siguientes cuatro procesos:

1-2 Compresión isoentrópica en un bomba

2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera

3-4 Expansión isoentrópica en una turbina

4-1 rechazo de calor a presión constante en un condensador

Figura N°

El agua entra a la bomba en el estado 1 como liquido saturado y se le aplica una compresión isoentrópica hasta la presión de la caldera. La temperatura del agua aumenta un poco durante este proceso de compresión isoentrópica.

El agua entra a la caldera como un líquido comprimido en el estado 2 y sale como vapor sobrecalentado en el estado 3. La caldera es un gran intercambiador de calor donde el calor que se origina en los gases de combustión, reacción nuclear u otra fuente de energía se transfiere al agua a presión constante.

El vapor sobrecalentado en el estado 3 entra en la turbina donde se expande isoentrópicamente y produce trabajo al hacer girar el eje conectado a un generador eléctrico. La presión y la temperatura del vapor disminuyen durante este proceso hasta los valores en el estado 4, donde el vapor entra al condensador. En este estado el vapor se condensa a presión constante en el condensador, que es un intercambiador de calor que rechaza calor hacia un medio de enfriamiento.

El vapor dentro del condensador se encuentra como mezcla saturada líquido-vapor a la temperatura de saturación correspondiente a la presión dentro del condensador. Por consiguiente, la reducción de la presión de operación del condensador reduce automáticamente la temperatura del vapor y, en consecuencia, la temperatura a la cual cede el calor de desecho.

El vapor abandona el condensador como líquido saturado y entra a la bomba, completando el ciclo.

Mediante un diagrama T-s (figura ) se puede observar que el área bajo la curva de proceso 2-3 representa el calor transferido al agua enla caldera y que el área bajo la curva de proceso 4-1 representa el calor rechazado en el condensador. La diferencia entre estas, es decir el área encerrada por el ciclo, es el trabajo neto producido durante el ciclo.

Figura N°

Los componentes asociados con el ciclo Rankine (bomba, caldera, turbina y condensador) son dispositivos de flujo estable; por ello es posible analizar los cuatros procesos que conforman el ciclo como procesos de flujo estable. Los cambios de energía cinética y potencial del vapor suelen ser pequeñas en comparación a los términos de trabajo y de transferencia de calor. De este modo se deduce que:

La caldera y el condensador no incluyen ningún trabajo y se supone que la bomba y la turbina son isoentrópica.

La eficiencia térmica del ciclo Rankine se determina a partir de:

Condensador:

El condensador es el último elemento del ciclo que el vapor recorre en tal estado, sus misiones principales, son:

1. Crear un vacío en el escape de la turbina.

2. Condensar el vapor de escape y así recuperarlo para el ciclo.

Otras funciones que se le asignan también de importancia son las siguientes:

3. Eliminar los gases no condensables presentes en el vapor.

4. Impedir la entrada de gases no condensables.

A continuación se pasa revisión a cada uno de estos cuatro puntos.

La primera finalidad, de crear un vacío en el escape de la turbina, tiene una doble razón, tanto termodinámica y económica. En efecto, la diferencia de entalpia entre el vapor y el condensado es considerable, de forma que, en condiciones determinadas de presión y temperatura, el salto entálpico entre el vapor en la admisión de la turbina y el condensador es considerablemente mayor si hay condensación del vapor que si no la hay, y el rendimiento, en consecuencia

La segunda finalidad citada fue la condensación del vapor y su recuperación para el ciclo. Evidentemente, el agua del circuito principal debe de estar libre de impurezas en un grado muy alto, y un funcionamiento en circuito abierto exigiría un tratamiento de grandes volúmenes de agua con el consiguiente encarecimiento, pues el agua normalmente disponible (mar, ríos, embalses) suele llevar una gran proporción de sustancias en suspensión, superior a los límites aconsejables.

La razón de que se desee eliminar los gases no condensables del condensador reside, en que su presencia reduce la diferencia de temperatura efectiva y empeora la transmisión de calor entre el vapor y el agua de refrigeración con el consiguiente encarecimiento por necesitarse más superficie de tubos, y porque contribuye a aumentar la presión en el condensador, empeorando el rendimiento del ciclo y el funcionamiento de la turbina.

Al mismo tiempo, desgasificando el agua se evita la corrosión en otras partes de la instalación.

Tipos de condensadores.

Los condensadores pueden ser de dos tipos: de mezcla y de superficie.

En un condensador de mezcla, el vapor se enfría mediante chorros de agua que se juntan con el vapor. A no ser que se emplee agua tratada o destilada, este sistema resulta impracticable, más cuanto mayor es el caudal de vapor.

En un condensador de superficie, por el contrario el intercambio de calor se realiza a través de un haz de tubos, por cuyo interior circula el agua de refrigeración.

En lo sucesivo solo se hará referencia a estos últimos.

Pueden distinguirse dos subtipos, dentro de los de los condensadores superficiales, los húmedos y los secos. La diferencia entre ambos radica en que, un condensador húmedo una bomba extrae el agua y el aire del condensador, funcionando bajo vacío.

Este tipo de condensador es aconsejable en instalaciones de pequeño tamaño, en las cuales la consideración fundamental es el costo de la instalación. Sin embargo, en el caso de instalaciones de gran potencia, en las que la economía de funcionamiento es muy importante, se utilizan los últimos, extrayéndose el agua mediante bombas y el aire con eyectores, o bombas de vacío.

Elementos constitutivos de un condensador de superficie.

El nombre que recibe cada uno de

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