Unidad I Ciclos de Vapor

José Flavio Millán Salgado 

Introducción  

En este capítulo se consideran ciclos de potencia de vapor en los que el fluido de trabajo se evapora y condensa alternadamente;dentro de este tema se desarrolla la definición del ciclo de Rankine , de Hirn , de Carnot y se define la eficiencia térmica para ellos.

El vapor de agua es el fluido de trabajo usado más comúnmente en ciclos de potencia de vapor debido a sus muchas y atractivas características, como bajo costo, disponibilidad y alta entalpía de vaporización. Por consiguiente, este capítulo se dedica principalmente al estudio de centrales eléctricas de vapor, las cuales normalmente son llamadas centrales carboeléctricas, centrales nucleoeléctricas o centrales eléctricas de gas natural, según el tipo de combustible que empleen para su ministrar calor al vapor. Sin embargo, el vapor pasa por el mismo ciclo básico en todas; por lo tanto pueden analizar se de la misma manera.

Temas

1.1 Ciclo de Rankine 

=EL CICLO IDEAL PARA LOS CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR=

 Es posible eliminar muchos de los aspectos imprácticos asociados con el ciclo de Carnot(es ideal se explicara más adelante) si el vapor es sobrecalentado en la caldera y condensado por completo en el condensador, como se muestra de manera esquemática en un diagrama T-s en la figura 10-2. Lo que resulta es el ciclo Rankine, el cual es el ciclo ideal para las centrales eléctricas de vapor. El ciclo Rankine ideal no incluye ninguna irreversibilidad interna y está compuesto de los siguientes cuatro procesos: 

1-2 Compresión isentrópica en una bomba

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

3-4 Expansión isentrópica en una turbina 

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

El agua entra a la bomba en el estado 1 como líquido saturado y se condensa isentrópicamente hasta la presión de operación de la caldera. La temperatura del agua aumenta un poco durante este proceso de compresión isentrópica debido a una ligera disminución en el volumen específico del agua.El agua entra a la caldera como líquido comprimido en el estado 2 y sale como vapor sobrecalentado en el estado 3.

La caldera es básicamente un gran intercambiador de calor donde el calor que se origina en los gases de combustión, reactores nucleares u otras fuentes, se transfiere al agua esencialmente a presión constante.

La presión y la temperatura del va por disminuyen durante es te proceso has ta los valores en el estado 4, donde el vapor entra al condensador. En este estado el vapor es por lo general un vapor húmedo con una alta calidad. El vapor se condensa a presión constan te en el condensador, el cual es básicamente un gran intercambiador de calor, rechazando el calor hacia un medio de enfriamiento como un lago, un río o la atmósfera. El vapor sale del condensador como líquido saturado y entra a la bomba, completando el ciclo.

Recuerde que el área bajo la curva del proceso en un diagrama T-s representa la transferencia de calor para procesos internamente reversibles; y observe que el área bajo la curva del proceso 2-3 representa el calor transferido hacia el agua en la caldera y que el área bajo la curva del proceso 4-1 representa el calor rechazado en el condensador. La diferencia entre estas dos (el área encerrada por el ciclo) es el trabajo neto producido durante el ciclo.

ECUACIONES  FUNDAMENTALES

La ecuación de energía de flujo estacionario, por unidad de masa de vapor.

La caldera y el condensador no incluyen ningún trabajo y se supone que la bomba y la turbina son isentrópicas, la ecuación de energía para cada dispositivo es:

(Cengel,2015)

1.2 Ciclo de Hirn 

El ciclo de Hirn es básicamente el mismo ciclo de Rankine vitaminado contando este con uno o mas recalentamientos , este proceso se formulo como respuesta a lo siguiente :

¿Cómo podemos aprovechar las mayores eficiencias a presiones más altas de la caldera sin tener que enfrentar el problema de humedad excesiva en las etapas finales de la turbina?

La solución es como ya se mencionaba :

Expandir el vapor en la turbina en dos etapas y recalentarlo entre ellas. En otras palabras, modificar el ciclo Rankine ideal simple con un proceso de recalentamiento. El recalentamiento es una solución práctica al problema de humedad excesiva en turbinas y es comúnmente utilizada en modernas centrales eléctricas de vapor.

El diagrama T-s del ciclo Rankine ideal con recalentamiento y el esquema de la central eléctrica que opera en este ciclo se muestran en la figura 10-11.El ciclo Rankine ideal con recalentamiento difiere del ciclo Rankine ideal simple en que el proceso de expansión sucede en dos etapas. En la primera (la turbina de alta presión), el vapor se expande isentrópicamente hasta una presión intermedia y regresa a la caldera donde se recalienta a presión constan te, por lo general hasta la temperatura de entra da de la turbina de la primera etapa. Después, el vapor se expande isentrópicamente en la segunda etapa (turbina de baja presión) hasta la presión del condensador. De modo que la entrada de calor total y la salida total de trabajo de la turbina en un ciclo de recalentamiento vienen a ser.

(Cengel,2015)

1.3 Ciclo de Carnot

Es natural considerar primero a este ciclo como un prospecto de ciclo ideal para las centrales eléctricas de vapor. Si fuera posible, se adoptaría como el ciclo ideal. Sin embargo, como se explica a continuación el ciclo de Carnot no es un modelo apropiado para los ciclos de potencia. A lo largo de todo el análisis se ha considerado al vapor como el fluido de trabajo, ya que su uso predomina en los ciclos de potencia de vapor.

 Considere un ciclo de Carnot de flujo estacionario ejecutado dentro de la curva de saturación de una sustancia pura, como se muestra en la figura10-1a. 

1-El fluido se calienta de manera reversible e isotérmicamente en una caldera(proceso 1-2)

2-Se expande isentrópicamente en una turbina (proceso 2-3)

3-Se condensa reversible e isotérmicamente en un condensador (proceso 3-4)

4-Se comprime de manera isentrópica mediante un compresor hasta su estado inicial (proceso 4-1).

figura 1a

Con este ciclo se asocian varias situaciones imprácticas:

+Restringir los procesos de transferencia de calor a sistemas de dos fases limita severamente la temperatura máxima que puede utilizarse en el ciclo.

+La turbina tiene que manejar vapor con baja calidad, es decir, va por con un alto contenido de humedad. El choque de gotas líquidas sobre los álabes de la turbina produce erosión y es una de las principales fuentes de desgaste.

+No es fácil controlar el proceso de condensación de manera tan precisa como para obtener finalmente la calidad deseada en el estado 4; y no es práctico diseñar un compresor que maneje dos fases.

Por ello este ciclo solo se considera ideal y su sustituto por excelencia es el ciclo de Rankine 

(Cengel,2015)

Conclusión

los ciclos de potencia de vapor han dado suficiente para analizar y aprender de ellos  se puede deducir que la eficiencia termica del ciclo de Rankine se incrementa al evaluar la temperatura promedio a la cual se transfiere calor hacia el fluido de trabajo y/o al disminuir la temperatura promedio a la que se rechaza calor al medio de enfriamiento.el ciclo de Hirn con el sobrecalentamiento tiene la ventaja adicional de disminuir el contenido de humedad del vapor a la salida de la turbina, el vapor suele recalentarse después de que se expande parcialmente en la turbina de alta presión . El ciclo de Carnot no es un modelo adecuado para los ciclos de potencia de vapor porque no se puede alcanzar en la practica.El ciclo modelo para los ciclos de vapor es el ciclo de Rankine. La eficiencia térmica describe la razon de perdida entre el calor de salida y el calor de entrada del ciclo.

Bibliografia

·         Cengel, Y. A.; Boles, M.A.(2015) Termodinámica.Editorial: Mc Graw-Hill,Tema 10 Ciclos de potencia de vapor y combinados.