Libro Termodinamica Cap 12 Ciclo Rankine Hadzich

Termodinámica para ingenieros PUCP

Cap. 12

Ciclo Rankine INTRODUCCIÓN

Ahora entramos en la parte práctica del curso, empezaremos a conocer las Centrales Térmicas a Vapor que utilizan como combustible carbón, leña, petròleo, biogas o cualquier otro combustible para quemar. Los gases de combustiòn no se juntaràn con el vapor por eso podemos usar cualquier combustible. El portador de energía puede ser Sodio, Potasio, Mercurio, etc, pero el principal será el H2O, por sus condiciones de temperatura máxima y mínima, su facilidad de encontralo, su precio y su seguridad. Este equipo fue la primera máquina termodinámica que dió inicio a la relaciòn entre Calor y Trabajo, posteriormente vinieron todas las demàs. Thomas Newcomen inventó la màquina de vapor en 1712. Actualmente es una de las màs baratas y su uso continùa expandièndose.

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ESQUEMA DE UNA PLANTA TÈRMICA A VAPOR

12.1 CICLO RANKINE

Caldera

(Centrales Térmicas a vapor)

Consideraciones: - Proceso FEES – Estacionario. - EK = 0; EP = 0

Turbina

Procesos: 1-2: Bomba de Líquido (s = c) 2-3: Calentamiento (vaporización a P = c)

Bomba Condensa-

3-4: Expansión adiabática (s = c). 4-1: Condensación a P = c.

η st

Rendimiento del ciclo:

η th = η th = η th =

∑W Qsum

=

∑W + ∑W t

V

Qsum

W t ( 3 − 4 ) − W t (1 − 2 ) W bomba + W turbina = Qsum Q23 Q23 − Q41 Q23

=1−

Q41 Q23

<1

Este ciclo usa vapor de agua como sustancia pura, usaremos Tablas de Vapor y diagramas T-s y h -s

Comprarse el CD - Cómo funcionan las cosas ? Ciclo Rankine - Pág. 2

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Dónde se utiliza este Ciclo de Vapor ?

Màquina de Vapor, 1838

CICLO RANKINE IDEAL

Qué pasaría si no existiera el condensador ?

Primera locomotora de vapor del mundo, construìda en 1804.

Barco de Vapor

Locomotora de vapor, 1866

Diga el nombre de cada una de las partes

Motocicleta a vapor, 1889

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DIAGRAMA T - s CICLO RANKINE REAL

12.2 Diagrama h . s - Mollier

Por qué existen caídas de presión en las calderas y condensadores ?

Por qué la turbina es irreversible ?

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Bombas Centrífugas

12.3 Bombas -

Aproximadamente adiabática. 2

2

q 2 − q1   

= 0 , adiabático

= ( u 2 − u1 ) +  =0

∫

Pdv = ( h2 − h1 ) −

1  

∫

vdP

1

=0

2

( h2 − h1 ) −

∫ vdP

Las bombas sirven para dar el flujo de masa m , y elevar la presión en líquidos !!

todas las bombas se calculan con la misma formula anterior, solo cambiaran las propiedades del liquido

= 0

1

v 2 = v 1 = v 1f 2

( h2 − h1 ) =

Asumir líquido incompresible a la entrada de la bomba.

∫ vdP

= v 1f ( P2 − P1 ) = w t (1 − 2 )

1

h2 = h1 + v 1f ( P2 − P1 ) w t (1 − 2 ) = h2 − h1 Rendimiento isoentrópico de la bomba (si te dan como dato) nsb = vf1 (P2 - P1)/ Wt 12

h2 = h1 + v f1 × (P 2 - P1 )

Bombas Centrìfugas en serie y paralelo. Lab. Energìa PUCP

Bomba de Pistòn Lab. Energìa PUCP

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12.4 Calderas Caldera: 3

3

q3 − q2 = ( u3 − u2 ) +  =0

∫ Pdv

= ( h3 − h2 ) −

2   =0

∫ vdP

2  

= 0 , isobárica

q ( 2 − 3 ) = h3 − h2

Rendimiento de la Caldera

Cómo calcularías el rendimiento de tu cocina a gas ?

Por qué no puedes tener tu bomba en tu departamento del piso 10 ? Hasta qué piso podrá bombear ?

Por qué el motor está arriba ?

Caldera Pirotubular Central Tèrmica a Vapor Lab. Energìa PUCP

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Cuál es la diferencia entre una Central Nuclear y una Central Térmica ?

Qué tipo de Calderas son las que se muestran arriba ? Nombre las partes y diga qué tipo de Central son____________

Caldera Acuotubular que funciona con biomasa - Caña de azúcar, maiz, cascarilla de arroz, etc Ciclo Rankine - Pág. 12

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Centrales nucleares

Partes de una Central Nuclear

Qué son los edificios ?

Por qué tienen esa forma ?

Nombre las partes

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12.4 Turbinas de vapor

Cuántos älabes tiene esta turbina ?

4

q ( 3 − 4 ) = ( h4 − h3 ) −

∫ vdP

3   w t ( 3 −4 )

S i la turbina es adiabática : w t(3 - 4) = h4 − h3

Nombre las partes

Indique el nombre de las maquinas en esta Central termica del Laboratorio PUCP

Cuántas etapas tienen las turbinas superiores ?

Que relacion tienen estas máquinas con las Turbinas de vapor ?

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12.6 Condensadores 1

1

q1 − q 4 = ( u1 − u 4 ) +  =0

∫

Pdv = ( h1 − h4 ) −

4   =0

∫ vdP

4   =0



q ( 4 −1 ) = h1 − h4

Cuántos tubos tiene ?

Enumere las partes que conozca

Condensador - Lab. Energìa PUCP

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Vistas de la parte interna de intercambiadores. Qué tipo de máquinas son ? Recordando los rendimientos

η th = η th = η th =

∑W

∑W + ∑W t

=

Qsum

V

Qsum

W t ( 3 − 4 ) − W t (1 − 2 ) W bomba + W turbina = Qsum Q23 Q23 − Q41 Q23

=1−

Q41 Q23

<1

RENDIMIENTO DE LA PLANTA:

η Planta

V I = Q

= η th × η cal × η m × η gen

C

η Planta

∑ W

Q ( 2 − 3 ) T ×ω V I = × × ×    T × ω W t  Q( 2 − 3 ) Qcom           ηgen ηth

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Es verdad que el rendimiento de la planta puede ser VI/Q23 ?

t

ηcal

∑

ηm

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12.7 Mejoras al Ciclo teòrico

12.8 Ciclo con Sobrecalentamiento

Podemos incrementar la presion en la caldera pero luego de la turbina cae dentro de la zona de mezcla y puede bajar la calidad de 90 %, lo cual seria peligroso

SUPERCALENTADOR O SOBRECALENTADOR EN LAB. ENERGIA PUCP

Mejora o no el ciclo ?

12.9 Ciclo con Recalentamiento

Bomba de Vacío - Lab. Energía PUCP

tambien podemos bajar la presion en el condensador con una bomba de vacio, y aumentamos el area y el trabajo. no podemos bajar de 1 bar

Mejora el ciclo ?

Mejora el ciclo ?

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Problema

12.10 Ciclo con Regeneración

Escriba las ecuaciones en cada uno de los aparatos

Uso del Software

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Termodinámica para ingenieros PUCP Ejemplo: Se tiene un ciclo Rankine regenerativo de dos extracciones y recalentamiento intermedio. Los calentadores son isobáricos y adiabáticos. La caldera y el recalentador son isobáricos. Las expansiones de cada una de las etapas de las turbinas de alta presión TAP se realiza con un rendimiento isentrópico de 0.76 y la turbina de baja presión TBP tiene un rendimiento isentrópico de 0.82. Deberá considerar: - Ep y Ek despreciables - Líquido incompresible - Las bombas son adiabáticas reversibles. Determinar: a) Los diagramas T-s y h-s. b) Todas las entalpías específicas (kJ/kg) c) Los flujos de masas m7, m10, m11. Si m6=0.2kg/s. d) La eficiencia del ciclo e) Sería posible una expansión adiabática desde P12 hasta P13, pero de manera que x13=86%

12.11 Ciclo con Cogeneración

Cuiál es la ventaja respectoa los modelos anteriores ?

12.12 Ciclos Binarios

Cuáles de las presiones son iguales ? Isobaricas ?

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Laboratorio de Termodinámica PUCP

Diagraa h-s del problema

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