CICLO DE RANKINE

DIVERGENCIAS ENTRE UN CICLO REAL E IDEAL PRDIDAS POR FRICCIN La friccin del fluido ocasiona cadas de presin en la caldera, el condensador y las tuberas entre los diversos componentes. Para compensar las cadas en la presin se requieren presiones ms altas en el bombeo de agua. PRDIDAS DE CALOR Otra fuente importante de irreversibilidades es la perdida de calor del vapor por los alrededores cuando este circula por varios componentes.IRREVERSIBILIDADES EN LAS BOMBAS Y TURBINAS En las bombas y turbinas existen variaciones de entropa entre la entrada y la salida originando una disminucin en el trabajo entregado por la turbina y el incremento del trabajo suministrado a la bomba. FUNCIONAMIENTO DEL CICLO DE RANKINE Muchos de los aspectos ideales relacionados con el ciclo de Carnot pueden eliminarse si el vapor es sobrecalentado en la caldera y se condensa completamente en el condensador, como se muestra en la figura 9.1 y en el diagrama T-s

El ciclo de Rankine es el ciclo ideal para las plantas de potencia de vapor. El ciclo de Rankine no incluye ninguna irreversibilidad interna y est compuesta por los siguientes 4 procesos: 1-2 compresin isentrpico en una bomba 2-3 Adicin de calor a P = cte en una caldera 3-4 Expansin isentrpica en una turbina 4-1 Rechazo de calor a P=cte en un condensadorANLISIS ENERGTICO DEL CICLO DE RANKINE Bomba: Q = 0; Q W = h = h2 h1 -W = h2 h1; - (-W) = h2 h1; W = h2 h1 W = h2 h1 Wbomba en= Vesp (P2-P1) Caldera: W = 0; Q W = h = h3 h2 Q = h3 h2 Turbina: Q = 0; Q W= h = h4 h3 -W = h4 h3; W = h3 h4 W = h3 h4 Condensador: W = 0; Q - W = h = h1 h4 Q = h1 h4; - Q = h1 h4; Q = h4 h1 Q = h4 h1FACTORES QUE MEJORAN EL RENDIMIENTO DEL CICLO RANKINE REDUCCIN DE LA PRESIN DEL CONDENSADOR. El vapor existe como una mezcla saturada en el condensador correspondiente a la presin dentro del condensador. Por consiguiente la reduccin de la presin de operacin del condensador, reduce la temperatura del vapor y, en consecuencia la temperatura a la cual el calor se rechaza. El efecto de la reduccin de la presin en el condensador, en la eficiencia del ciclo de Rankine se ilustra en la figura 9.3. El rea coloreada en este diagramarepresenta el aumento en la salida neta de trabajo al bajar la presin del condensador de P4 a P4. Esta reduccin de la presin en el condensador tiene sus efectos colaterales como filtracin de aire dentro del condensador e incrementa el contenido de humedad del vapor en las etapas finales de la turbina.

CICLO DE RANKINE CON RECALENTAMIENTO Para mejorar la eficiencia del ciclo de potencia de vapor, es decir para aumentar la salida de potencia de la turbina, se disponen de algunas alternativas como es la de aumentar la presin en la caldera, aumentando consecuentemente la temperatura y de esta forma se disminuye el consumo de calor transferido al fluido de trabajo. Este aumento de la presin en la caldera origina a su vez una disminucin en la calidad de vapor que sale de la turbina, creando un problema de erosin en la alas de la turbina. Para evitar este problema se procede al recalentamiento del vapor mediante la utilizacin de dos turbinas, una de alta presin y una de baja presin, como se indica en la figura

Para calcular el rendimiento trmico de un ciclo de recalentamiento, es necesario tomar en cuenta el trabajo que sale de las dos turbinas, as como el calor transferido en la caldera y en la zona de recalentamiento, es decir. Wturbina alta = h3-h4 Wturbina baja = h5-h6 Qcaldera = h3-h2 Qrecalentamiento = h5-h4CICLO DE RANKINE CON REGENRACIN (CALENTADORES ABIERTOS) El ciclo regeneracin, consiste en extraer una porcin de vapor expandida de la turbina con el fin de utilizar como suministro de energa calorfica al fluido de trabajo, de esta forma aumenta su temperatura antes de ingresar a la caldera de tal forma que como resultado se obtenga a la salida del calentador liquido saturado como se indica en la figura

Para determinar la eficiencia de este ciclo, es necesario realizar el siguiente anlisis terico.Balance de masa en el calentador ent= sal 4 + 7 = 1 Ec. 1 Balance de Energia en el calentador ent hent= sal hsal 4 h4+ 7h7 = 1h1 Ec. 2 Combinando las ecuaciones 1 y 2 nos queda: 4 h4+ (1 - 4 ) h7 = 1h1 Dividiendo esta ecuacin para 1

si la fraccin de vapor de agua extrada de la turbina se representa por:1(h1)= y4 h4+(1-y) h7 El trabajo de la turbina viene dado Wt = = 1(h3 h4)+(1-y)( h4-h5) Trabajo en la bomba, referido a la masa que atraviesa el condensador.WB=Vf6(P7-P6)(1-y) Trabajo en la bomba de alimentacin, referido al total del ciclo WB=Vf1(P2-P1)CICLO DE RANKINE CON REGENRACIN (CALENTADORES CERRADOS) En un calentador cerrado no se mezclan las corrientes que entran al ciclo, el agua de alimentacin circula por el interior de los tubos y el vapor extrado de la turbina que se utiliza para precalentar el agua, se condensa tambin en el interior de los tubos.Por tanto la particularidad de estos calentadores cerrados es que las dos corrientes atraviesan la zona de calentador no estn en contacto directo entre s, por lo que se puede considerar que las presiones difieren, como se indica en la figura

Para determinar la eficiencia de este ciclo, es necesario realizar el siguiente anlisis terico. Balance de Energa en la turbina h3=yh4+(1-y)h5+WT sumo y resto h4 WT=h3-yh4-(1-y)h5+ h4- h4 WT= h3- h4 - yh4+ h4+(1-y)h5 WT= h3- h4+ h4(1-y)-(1-y) h5WT=(h3- h4)+(1-y)( h4- h5) Balance en el condensador Qsal+(1-y)h6=(1-y)h5Qsal=(1-y)( h5- h6) Balance en la bomba 1(condensada) WB+(1-y)h6=(1-y)h7 WB=(1-y)( h7- h6) Balance en el calentador h4y+(1-y)h7=h9y+(1-y)h8

Balance en la bomba 2 (alimentacin) WB+h9y=h1y WB=y(h1- h9) Balance en la caldera Qent+h2=h3 Qent= h3-h2

Ejercicio de aplicacin

La eficiencia de una planta nuclear de 1000 KW es de 33%, es decir, se libera 2000 KW de calor al medio ambiente por cada 1000 KW de energa elctrica producida. Si se utiliza un rio con una rapidez de flujo de 106 Kg/s para eliminar el exceso de calor. Determine el aumento promedio en la temperatura del rio. Solucin: