Ciclo Rankine Simple

BREVE DESCRIPCION

La práctica consiste en el análisis del ciclo Rankine como modelo para las plantas térmicas de generación de potencia a vapor. Los elementos principales de una planta térmica son: Caldera, Turbina, condensador y bomba. Se pueden utilizar como fluido de trabajo varias sustancias, mas la que se utiliza con mayor frecuencia por sus condiciones es el agua, ya que reúne ciertas características como optima trasferencia de calor, y el manejo de relativamente bajas presiones, bajo costo, disponibilidad y alta entalpia de vaporización. El fluido de trabajo se vaporiza y condensa alternadamente. El objetivo de las centrales térmicas de vapor es producir una cantidad considerable de potencial eléctrico. Para obtener este potencial, se utilizan turbinas de vapor cuyo fin es transformar la energía de flujo de vapor en energía mecánica, a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (entiéndase el vapor) y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético. Esta energía es aprovechada por un generador eléctrico que esta acoplado a la turbina. El vapor es obtenido producto de agregarle calor al fluido de trabajo que entra en la fase liquida a una caldera y sale en la fase de vapor a un temperatura y presión elevadas. Para obtener el calor se utilizan diferentes tipo de combustibles los cuales pueden encontrarse en las fases solidas, liquidas o gaseosas.

Procesos del Ciclo Rankine Ideal Simple:

Proceso 1-2: Compresión Isoentropica en una bomba.

Proceso 2-3: Adición de Calor a Presión constante en la caldera.

Proceso 3-4: Expansión Isoentropica en la Turbina.

Proceso 4-1: Rechazo de calor a Presión constante en el condensador.

Ciclo Rankine Real:

Los ciclos de Rankine idealizados tienen eficiencias próximas a la de Carnot. Esto no es verdad para las máquinas reales que operan según un ciclo Rankine. En las máquinas reales existen muchas irreversibilidades, principalmente en la turbina y en la bomba. También debe notarse que se estudia la eficiencia del ciclo; con frecuencia, la eficiencia de las plantas de potencia se define en términos del trabajo (o energía eléctrica) entregada por la planta en comparación con la energía obtenida del combustible que entra a la caldera y no de la energía agregada al fluido de trabajo. Esta eficiencia global de las plantas recibe el nombre de gasto específico de calor de la planta y se expresa frecuentemente en unidades mezcladas de Btu de energía demandada por kilowatt-hora de electricidad entregada. Como la eficiencia de la caldera puede ser tan baja como un 60%, la eficiencia global de la planta resulta considerablemente más baja que la eficiencia del ciclo.

Entre las principales causas de irreversibilidades están la fricción del fluido y las pérdidas de calor hacia los alrededores, que ocasionan:

Perdidas por Fricción: La fricción del fluido ocasiona caídas de presión en la caldera, el condensador y las tuberías entre los diversos componentes. Para compensar las caídas en las presiones se requiere presiones más altas en el bombeo de agua.

Perdidas de calor: Perdida de calor del vapor por los alrededores cuando éste circula por varios componentes.

Irreversibilidades en bombas y turbinas: Existen variaciones de entropía entre la entrada y salida. Ocasionando un aumento o disminución entropía.

Tratamiento para las Ineficiencias en turbinas y bombas.

El efecto de las irreversibilidades de la turbina y la bomba sobre el ciclo se analiza mediante el uso de las eficiencias adiabáticas de la bomba y de la turbina. Estas se definen como:

Turbinas: La eficiencia de una turbina es la comparación entre la entrega de trabajo real y el trabajo producido por un proceso isentrópico. La entrada a la turbina corresponde a un estado específico y la salida debe ser a una presión dada.

Bombas: En una bomba también se hace la comparación entre el trabajo real y el isentrópico. El funcionamiento deseado en una bomba consiste en producir una cierta presión a la salida con una entrada mínima de trabajo. Suponiendo que el trabajo real es adiabático, se observa que las irreversibilidades requieren más trabajo. La eficiencia de una bomba es.

NOTA: El subíndice S representa el proceso Isoentropico.

Definiciones Básicas:

Sistema Turbogenerador: Su función es transformar la energía en forma de vapor en energía mecánica de movimiento, ya sea para generar electricidad, mover bombas, compresores entre otros.

Turbina con descarga atmosférica en vacio: Las turbinas de vapor transforman la

...