Practica 6 Maquinas Termicas

Introducción

El ciclo Rankine, es el ciclo ideal para las centrales eléctricas de vapor, el cual no presenta irreversibilidades internas y consta, básicamente, de los siguientes procesos:

Proceso 1-2.- comprensión isentrópica en una bomba

Proceso 2-3.- adición de calor a presión constante en una caldera

Proceso de 3-4.- expansión isentrópica en una turbina

Proceso 4-1.- Rechazo de calor a presión constante en un condensador

Ciclo Rankine simple

Las variaciones que hacen que este ciclo sea práctico:

En el proceso 4-1, la sustancia es condensada por completo, lo que permite la utilización de una bomba ya que llega a la misma como líquido saturado, obteniéndose de esta forma el ciclo rankine simple.

Ciclo Rankine con sabrecalentamiento

En el proceso 2-3 en la caldera, el agua es elevada hasta un estado de vapor sobrecalentado lo que permite que luego del trabajo de compresión efectuado por la turbina, la sustancia quede en un estado de menor humedad lo que aumenta la vida útil de dicho dispositivo. De igual forma, el trabajo neto efectuado aumenta y por consiguiente, también la eficiencia del ciclo.

Análisis de energía

Los 4 dispositivos asociados con el ciclo Rankine (caldera, bomba, turbina y condensador) son dispositivos de flujo estacionario. El balance de energía por unidad de masa de vapor para cada dispositivo sería:

(q_(entrada-) q_salida )+(w_(entrada-) w_salida )=∆h+∆e_potencial+∆e_cinetica

Por lo general, en este tipo de dispositivos los cambios de energía cinetica y potencial del fluido de trabajo son despreciables en comparación con los términos de trabajo y transferencia de calor. Además presenta una dirección de transferencia de calor o de trabajo definida (ya sea de entrada o de salida del sistema).

(q_(entrada-) q_salida )+(w_(entrada-) w_salida )=∆h

Bomba: se encarga de aumentar la presión del líquido que pasas a través de ella. Para el ciclo Rankine ideal, la bomba se supone isentrópica y la transferencia de calor es cero, entonces por conservación de la energía se obtiene:

(〖w 〗_(bomba,entrada) )=h2-h1 (〖w 〗_(bomba,entrada) )=V1(p2-p1)

Caldera: es el dispositivo mediante el cual se añade calor al fluido y el mismo, no efectúa trabajo para realizar esta labor, por lo que:

q_entrada=h_3-h_2

Turbina: mediante esta, se expande el fluido de manera isentrópica y se produce trabajo al hacer girar el eje conectado a un generador eléctrico, sin transferencia de calor.

w_(turbina,salida)=h_3-h_4

Condensador: este dispositivo condensa el fluido de alta calidad y funciona básicamente como un intercambiador de calor rechazando el calor hacia un medio externo, sin efectuar trabajo, entonces:

q_salida=h_4-h_1

Para este ciclo la eficiencia térmica se obtiene a partir de:

η_ter=w_neto/q_entrada =1-q_salida/q_entrada

Donde,

w_neto=q_entrada-q_salida=w_(turbina,salida)-w_(bomba,entrada)

Y la potencia producida por la central eléctrica, seria

(w_neta=m ̇(w_neto)) ̇

El ciclo que sigue el ciclo de vapor en las centrales de ciclo combinado corresponde al llamado Ciclo de Rankine y es la aplicación tecnológica del ciclo de Carnot para el caso de que el fluido motor sea un fluido condensable y durante su evolución se produzcan cambios de fase. De forma simplificada, y para el ciclo básico, la evolución del fluido sigue las siguientes etapas:

Una etapa de expansión del fluido en fase vapor, realizada en una máquina térmica denominada turbina de vapor y lo más isentrópica posible.

A la salida de la turbina de vapor, una cesión de calor residual del vapor a presión constante en un dispositivo llamado condensador. En este dispositivo se realiza la condensación total del mismo y su paso a fase líquida.

Una o varias etapas de elevación de la presión del fluido. El proceso se realiza con el fluido en fase líquida, con bombas y fuera de la zona de cambio de fase. Ésta es una de las principales diferencias con el ciclo de Carnot ya que, en sentido estricto, para obtener la máxima eficiencia sería necesario realizar la compresión de un fluido bifásico, con la dificultad tecnológica que ello conlleva.

Una etapa de aportación de calor a presión constante, que en los ciclos combinados se hace en la caldera de recuperación de calor por los gases de escape de la turbina de gas. El fluido realiza una etapa de calentamiento previo en fase líquida, un proceso de cambio de fase y una elevación posterior de la temperatura del vapor en lo que se denomina sobrecalentador, motivada por la necesidad de disminuir la humedad en el vapor en las últimas etapas de expansión de la turbina. Esto último constituye la segunda particularidad del ciclo de Ranking y otra diferencia fundamental con el ciclo de Carnot.

La energía solar se puede utilizar para calentar y enfriar edificios, el accionamiento de bombas de riego, hacer que la energía eléctrica, la desalinización de agua de mar, y, en general, reducir la demanda de energía en las fuentes de energía convencionales. El motor de ciclo orgánico Rankine jugará un papel importante en la conversión de energía solar a la potencia en el eje de utilidad. Viabilidad técnica está aquí ahora, como muestran numerosos proyectos de demostración, sin embargo, la viabilidad económica puede haber algunos años de distancia. Este documento aborda los aspectos técnicos y de costos del ciclo orgánico Rankine y su interacción con el colector solar como un sistema de poder. La eficiencia y prácticos consideraciones

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