Functional Architecture

RESUMEN

Los dispositivos que se utilizan para realizar la conversión de calor en trabajo, reciben el nombre de máquinas térmicas.

Cuando se piensa en un ciclo de potencia para obtener una máxima eficiencia, de inmediato se piensa en un ciclo Carnot, pero este no es el modelo adecuado para los ciclos de potencia de vapor porque no se puede alcanzar en la práctica, debido a que no es posible diseñar un dispositivo en el que se permita la transferencia de calor a un fluido a temperatura constante en un proceso considerado, reversible.

El ciclo que sirve de modelo y que se adapta a un ciclo de potencia de vapor es el llamado Ciclo de Rankine, el cual está conformado por cuatro procesos básicos internamente reversibles.

El proceso de adición de calor, realizado en el caldero a través de un proceso isobárico. El proceso de expansión isoentrópico realizado en la turbina.

El proceso de rechazo de calor, en el condensador a presión constante. El proceso de compresión isoentrópica, en la bomba.

La eficiencia que se obtiene del ciclo de Rankine básico es aceptable, pero como modelo no es aceptado debido a la elevada humedad a la salida de la turbina. En el diseño de una turbina que trabaja con vapor de agua, normalmente es deseable que la humedad no exceda del 10% al 12% para evitar la formación con exceso de gotas de líquido. Es por ello que es necesario utilizar las variantes del ciclo. El ciclo de Rankine sobrecalentado, se caracteriza por elevar la temperatura promedio durante la adición de calor, de manera que se disminuya el contenido de humedad a la salida de la turbina, pero este sobrecalentamiento se encuentra restringido por las condiciones metalúrgicas en la confección de la turbina

Otra de las variantes que ofrece el ciclo de Rankine, es el recalentamiento de la sustancia de trabajo, para lo cual es necesario el uso de una segunda turbina de manera que se mantiene la humedad, en la turbina de alta y de baja presión, dentro de los límites recomendables; asimismo, la eficiencia del ciclo aumenta.

La mejor variante que ofrece el ciclo de Rankine es el uso de la regeneración del ciclo. Si logramos precalentar el agua de alimentación del caldero, se logrará una disminución del calor que se necesita en el generador de vapor para realizar el cambio de fase de la sustancia de trabajo. Para ello se utilizará los llamados calentadores o mezcladores, se puede utilizar más de un calentador con lo cual, la eficiencia del ciclo tenderá a aumentar. La utilización del número de calentadores estará en función de costos en el diseño de la planta, combustible y otros, lo que permitirá determinar el número óptimo en el uso de calentadores.

Asignatura: Termodinámica

PROBLEMAS RESUELTOS

1. Se diseña una turbina para que trabaje en ciclo de Rankine. El vapor de agua ingresa a la turbina a 16b realizándose la condensación a 30º C; si la humedad a la salida no debe de exceder en 19,57%. Determinar: a) La temperatura de ingreso a la turbina, en ºC. b) La eficiencia térmica.

Asignatura: Termodinámica

Asignatura: Termodinámica

GUIA N° 11 (Tema: ciclo Rankine)

1. Una planta de vapor que sigue un Ciclo Rankine, opera ente las presiones de 20 MPa y 1 atm con el fin de generar energía eléctrica para una pequeña aglomeración urbana que requiere una potencia de 10.000 kW. Para ello la municipalidad está dispuesta a invertir 30 millones de dólares por año en la operación de la planta.

2. Una batería de colectores solares con un área de 2 500m suministra energía a la caldera de una planta de fuerza que utiliza un ciclo de Rankine como ciclo de trabajo. La batería suministra 6MJ/m2_{-h de energía calorífica al agua, saliendo éste de la}

caldera a 2 MPa, 300º C e ingresando a la bomba a 60º C. Determinar: a) El flujo de masa utilizado, en kg/min. b) La potencia útil, en kW. c) La eficiencia térmica del ciclo. 3. Por la turbina de alta presión de un ciclo de Rankine con recalentamiento, ingresa vapor de agua a 6 MPa y 450º C. El vapor de agua es recalentado hasta 400º C expandiéndose hasta 7,5 kPa con una humedad de 17,33%. Si el calor transferido en el generador de vapor es 25 MW. Determinar: a) La presión de recalentamiento, en bar. b) El flujo de masa utilizado, en kg/h. c) La eficiencia térmica.

4. Considere el siguiente ciclo de vapor con recalentamiento. El vapor entra a la turbina de alta presión a 3.5 Mpa, 350°C y se expande a 0.5 Mpa y luego se recalienta a 350°C. E l vapor es expandido en la turbina de baja presión a 7.5 kPa. El líquido saturado que sale del condensador va a la bomba. Cada turbina es adiabática con una eficiencia del 85% y la bomba tiene una eficiencia adiabática del 80%. Si la potencia producida por las turbinas es de 1000 Kw, determine:a) Flujo de masa de vapor. b) Potencia de la bomba. c) La eficiencia térmica

5. Una planta de potencia de vapor opera en un ciclo Rankine ideal con recalentamiento.El vapor entra a la turbina de alta presión a 8 MPa y 500 ºC y la abandona a 3 MPa. Elvapor es recalentado a presión constante hasta 500 ºC antes de expandirse en la turbinade baja presión. Determine el trabajo específico de las turbinas (en kJ/kg) y la eficienciatérmica del ciclo. También muestre el diagrama T-s del ciclo. Realice el análisisexérgico, considera que el ciclo intercambia calor con reservorios de 1800 K y 300 K.

6.

7. La turbina de una planta eléctrica de vapor que opera en un ciclo Rankine ideal simple produce 1750 kW de potencia cuando la caldera opera a 800 PSIA, el condensador a 3 PSIA y la temperatura a la entrada de la turbina en 900°F. Determine la tasa de suministro de calor en la caldera, la tasa de rechazo de calor en el condensador y la eficiencia termica del ciclo.

Asignatura: Termodinámica