Ciclo Rankine

“Año del Diálogo y Reconciliación Nacional” CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO Y REGENERACION

INTEGRANTES:  López Carranza Ghiam Brayan

ESCUELA:

Ing. Mecánica-Eléctrica

CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO Con recalentamiento, una central térmica puede beneficiarse del mayor rendimiento que resulta de una presión de caldera más alta y también evitar el vapor de bajo título a la salida de la turbina. Su principal ventaja es aumentar el título del vapor expulsado de la turbina.

• Proceso 1-2: Expansión de la turbina hasta una presión entre la del generador de vapor y la del condensador. • Proceso 2-3: Recalentamiento del vapor • Proceso 3-4: Expansión del vapor en una segunda etapa de la turbina hasta la presión del condensador. • Proceso 4-5: Condensación del vapor. • Proceso 5-6: Compresión isoentrópica de líquido a través de la bomba.

• Proceso 6-1: Transferencia de calor hacia el fluido de trabajo.

Diagrama de Planta y Diagrama Termodinámico T-s

Análisis del Ciclo

Trabajo de la turbina

Trabajo de la bomba

𝑾𝑻 = 𝑾𝑻𝑨𝑷 + 𝑾𝑻𝑩𝑷

𝑾 𝑩 = 𝒉𝟔 − 𝒉𝟓

Donde: 𝑾𝑻𝑨𝑷 = 𝒉𝟏 − 𝒉𝟐

𝑾𝑻𝑨𝑷 : Trabajo de la turbina de alta presión

𝑾𝑻𝑩𝑷 = 𝒉𝟑 − 𝒉𝟒

𝑾𝑻𝑩𝑷: Trabajo de la turbina de baja presión

Calor Suministrado

Calor Rechazado

𝒒𝒆 = 𝒒𝒆𝒔 + 𝒒𝒆𝒓

𝒒𝒔 = 𝒉𝟒 − 𝒉𝟓

Donde: 𝒒𝒆𝒔 = 𝒉𝟏 − 𝒉𝟔 𝒒𝒆𝒓 = 𝒉𝟑 − 𝒉𝟐

𝒒𝒆𝒔 : Calor de entrada para el sobrecalentamiento 𝒒𝒆𝒓 : Calor de entrada para el recalentamiento

Rendimiento Térmico 𝑾𝑵 𝑾𝑻 − 𝑾𝑩 𝒏= = 𝒒𝒆 𝒒𝒆

CICLO RANKINE CON REGENERACIÓN • Otro método comúnmente usado para aumentar el rendimiento térmico de las centrales térmicas de vapor es el precalentamiento regenerativo del agua de alimentación o simplemente regeneración.

• Con el precalentamiento regenerativo del agua de alimentación, el fluido de trabajo, entra en la caldera. Como resultado, la temperatura media de absorción de calor aumenta y, en consecuencia, tiende a mejorar el rendimiento térmico del ciclo.

CALENTADOR ABIERTO DEL AGUA DE ALIMENTACIÓN Consiste en un intercambiador de calor de contacto directo en el cual las corrientes a diferente temperatura se mezclan para dar una corriente a temperatura intermedia.

La relación de flujos másicos de las corrientes de entrada en el calentador del agua de alimentación son elegidas de tal manera que la corriente de salida sea líquido saturado a la presión de extracción.

Diagrama de Planta y Diagrama Termodinámico T-s

Análisis del Ciclo

Balance de masa y energía en la turbina

ṁ𝒗 = ṁ 𝒆 + ṁ 𝒄 Dividimos entre el flujo de vapor total ṁ𝒗

ṁ 𝒗 ṁ𝒆 ṁ𝒄 = + ṁ 𝒗 ṁ𝒗 ṁ𝒗

ṁ𝒄 𝟏=𝒚+ ṁ𝒗

Donde:

𝒚=

ṁ𝒆 ṁ𝒗

Fracción de extracción

ṁ𝒄 = 𝟏 − 𝒚 Fracción del condensador ṁ𝒗

Cálculo de la fracción de extracción 𝒉𝟐 𝒚 + 𝒉𝟓 𝟏 − 𝒚 = 𝒉𝟔 (𝟏ሻ 𝒚=

𝒉𝟔 − 𝒉𝟓 𝒉𝟐 − 𝒉𝟓

Cálculo del trabajo de la turbina

Cálculo del calor suministrado

𝒒𝒆 = (𝒉𝟏 − 𝒉𝟕 ሻ(𝟏ሻ Cálculo del calor rechazado

𝒒𝒔 = (𝒉𝟑 − 𝒉𝟒 ሻ(𝟏 − 𝐲ሻ

𝒘𝑻 = 𝒉𝟏 − 𝒉𝟐 𝟏 + (𝒉𝟐 − 𝒉𝟑 ሻ(𝟏 − 𝒚ሻ Cálculo del trabajo de la bomba

𝒘𝒃 = 𝒘𝒃𝟏 + 𝒘𝒃𝟐 • 𝒘𝒃𝟏 = (𝒉𝟓 −𝒉𝟒 ሻ(𝟏 − 𝒚ሻ • 𝒘𝒃𝟐 = (𝒉𝟕 − 𝒉𝟔 ሻ(𝟏ሻ

Rendimiento Térmico 𝑾𝑵 𝑾𝑻 − 𝑾𝑩 𝒏= = 𝒒𝒆 𝒒𝒆

CALENTADOR CERRADO DEL AGUA DE ALIMENTACIÓN Son intercambiadores del tipo carcasa y tubos calentador cerrado en los que el agua de alimentación aumenta su temperatura debido a que el vapor extraído condensa en el exterior de los tubos por dentro de los cuales circula el agua de alimentación.

Diagrama de Planta y Diagrama Termodinámico T-s

Análisis del Ciclo

Balance de masa y energía en la turbina

ṁ𝒗 = ṁ𝒆 + ṁ𝒄 Dividimos entre el flujo de vapor total ṁ𝒗

ṁ𝒗 ṁ𝒆 ṁ𝒄 = + ṁ𝒗 ṁ𝒗 ṁ𝒗 ṁ𝒄 𝟏=𝒚+ ṁ𝒗

Donde:

𝒚=

ṁ𝒆 ṁ𝒗

Fracción de extracción

ṁ𝒄 = 𝟏 − 𝒚 Fracción del condensador ṁ𝒗

Cálculo de la entalpía a la salida del CAA cerrado

𝒉𝟔 = 𝒉𝟕 + 𝒗𝟕 (𝑷𝟔 − 𝑷𝟕 ሻ

Cálculo de la fracción de extracción

𝒉𝟐 𝒚 + 𝒉𝟓 𝟏 = 𝒉𝟔 (𝟏ሻ +𝒉𝟕 (𝐲ሻ 𝒉𝟔 − 𝒉𝟓 𝒚= 𝒉𝟐 − 𝒉𝟕

Cálculo del trabajo de la turbina

Cálculo del calor suministrado

𝒘𝑻 = 𝒉𝟏 − 𝒉𝟐 𝟏 + (𝒉𝟐 − 𝒉𝟑 ሻ(𝟏 − 𝒚ሻ

𝒒𝒆 = (𝒉𝟏 − 𝒉𝟔 ሻ(𝟏ሻ

Cálculo del trabajo de la bomba

𝒘𝒃 = (𝒉𝟓 −𝒉𝟒 ሻ(𝟏ሻ

Cálculo del calor rechazado

𝒒𝒔 = 𝒉𝟑 − 𝒉𝟒 𝟏 − 𝐲 + 𝒉𝟒 − 𝒉𝟖 (𝒚ሻ

Rendimiento Térmico 𝒏=

𝑾 𝑵 𝑾𝑻 − 𝑾𝑩 = 𝒒𝒆 𝒒𝒆

CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO Y REGENERACIÓN

Ejercicio Una central termoeléctrica opera con un ciclo Rankine con recalentamiento y regeneración en la cual el vapor que sale del generador de vapor hacia la turbina de alta presión es de 10MPa. A esa condición se recalienta hasta alcanzar una temperatura de 400°C en la cual se expandirá en la turbina de baja presión de 10KPa. La presión que sale de la turbina de alta presión hacia el recalentador es de 4MPa. En el proceso de expansión se realiza 3 extracciones cuyas presiones son de 6MPa, 2MPa y 500KPa donde son enviados a sus respectivos calentadores de agua de alimentación de tipo abierto, cerrado y abierto, respectivamente. El rendimiento de la turbina es de un 92% y de las bombas en forma ideal. Determine el rendimiento térmico del ciclo.