ESTADO DEL ARTE

1. FUNDAMENTOS TERICOS.

1.1 Conceptos y DefinicionesUn ciclo de potencia es un dispositivo formado por un conjunto de mquinas trmicas que tiene como propsito fundamental convertir el calor en potencia de salida.Atendiendo a la definicin, entonces, un ciclo de potencia de vapor es un ciclo en el que el fluido de trabajo se evapora y condensa alternadamente, es decir, que opera con una mezcla de vapor y lquido. El fluido de trabajo ms comnmente utilizados en estos ciclos es el agua, por su bajo costo, disponibilidad y alta entalpa de vaporizacin, propiedades muy deseables al momento de ahorrar costos en una central elctrica.Existen dos tipos de ciclos de potencia de vapor que son los ms importantes: El ciclo de Carnot y el Ciclo Rankine (ciclo ideal por excelencia). Ambos ciclos son ideales, es decir, que no implican ningn efecto producto de la friccin, se asume que el sistema est bien aislado y en cuasiequilibrio y se desprecia cualquier cambio de energa cintica y potencial en alguna de las maquinas trmicas.Ciclo de Carnot: Ciclohipottico utilizado como norma para establecer comparaciones con ciclos reales. Con este ciclo se muestra que, an en condiciones ideales, una mquina trmica no puede convertir toda la energa calorfica que se le suministra enenerga mecnica; tiene que rechazar parte de esa energa.En un ciclo de Carnot, una mquina acepta energa calorfica de una fuente a altatemperatura, convierte parte de ella en trabajo mecnico (o elctrico) y descarga el resto hacia un sumidero a baja temperatura. Cuanto mayor sea la diferencia en temperatura entre la fuente y el sumidero, mayor ser la eficiencia de la mquina trmica.El ciclo de Carnot presenta el siguiente proceso: El fluido se calienta de manera reversible e isotrmica en una caldera (Fig. 1; proceso 1-2), se expande isentrpicamente en la turbina (Fig. 1; proceso 2-3), se condensa reversible e isotrmicamente en un condensador (Fig. 1; proceso 3-4) y por ltimo se comprime de manera isotrpica mediante un compresor hasta su estado inicial (Fig. 1; proceso 4-1).Fig. 1 Proceso del Ciclo de Carnot

El ciclo Carnot, aunque es el ms eficiente de los ciclos, no es un modelo muy adecuado ni prctico en la aplicacin por presentar ciertos inconvenientes como: Restringir los procesos de transferencia de calor a un sistema de mezcla, lo que limita la cantidad mxima de temperatura que puede utilizarse y a su vez la eficiencia trmica. Cualquier intento por elevar la temperatura mxima implica transferencia de calor hacia el fluido de trabajo en una sola fase, lo que no es fcil realizar isotrmicamente.

El proceso de expansin isentrpica (Fig. 1; proceso 2-3) puede aproximarse bastante mediante una turbina bien diseada. Sin embargo, la calidad del vapor disminuye durante este proceso (Fig. 1; proceso 3-4) dando como resultado un fluido con mayor humedad, y esta a su vez produce erosin y desgaste en la turbina. No es fcil controlar el proceso de condensacin de manera tan precisa como para obtener finalmente la calidad deseada en el estado 4; y segundo, no es prctico disear un compresor que maneje dos fases.

Debido a que este ciclo presenta inconvenientes tan imprcticos se concluye que el ciclo de Carnot no puede lograrse en los dispositivos reales y no es un modelo realista para los ciclos de potencia de vapor. Entonces en modelos se utiliza otro ciclo de potencia llamado Ciclo Rankine, que es una especie de correccin al ciclo Carnot.

Ciclo Rankine: Es posible eliminar muchos de los aspectos imprcticos asociados con el ciclo de Carnot si el vapor es sobrecalentado en la caldera y condensado por completo en el condensador, como se muestra de manera esquemtica en la Fig. 2. Lo que resulta es el ciclo Rankine, el cual es el ciclo ideal para las centrales elctricas de vapor. El ciclo Rankine ideal no incluye ninguna irreversibilidad interna y est compuesto de los siguientes cuatro procesos: Compresin isentrpica en una bomba: El agua entra a la bomba en el estado 1 como lquido saturado, se condensa isentrpicamente hasta la presin de operacin de la caldera y se comprime por efecto de la bomba. Adicin de calor a presin constante en una caldera: El agua entra a la caldera como lquido comprimido en el estado 2 y sale como vapor sobrecalentado en el estado 3 Expansin isentrpica en una turbina: l va por sobre calentado en el estado 3 entra a la turbina donde se expande isentrpicamente y produce trabajo al hacer girar el eje conectado a un generador elctrico. La presin y la temperatura del vapor disminuyen durante este proceso hasta los valores en el estado 4, donde el vapor entra al condensador. Rechazo de calor a presin constante en un condensador: El vapor se condensa a presin constante en el condensador, rechazando el calor hacia un medio de enfriamiento como un lago, un ro o la atmsfera. El vapor sale del condensador como lquido saturado y entra a la bomba, completando el ciclo. Fig. 3 Esquema de un Ciclo Rankine IdealFig. 2 Proceso del Ciclo Rankine

Desviacin de un ciclo de vapor real con respecto de los ideales: El ciclo de potencia real difiere del ciclo ideal Rankine debido a las irreversibilidades en diversos componentes.La friccin del fluido y las prdidas de calor indeseables hacia los alrededores son las dos fuentes ms comunes de irreversibilidades.

La friccin del fluido ocasiona cadas de presin en la caldera, el condensador y las tuberas entre diversos componentes. Como consecuencia, el vapor sale del generador de vapor a una presin un poco menor. Adems la presin en la entrada de la turbina es un poco menor que la presin de la salida de la caldera, debido a la cada de presin en los tubos conectores.

La otra fuente de irreversibilidad es la prdida trmica del vapor hacia los alrededores cuando ste fluye por varios componentes. Para mantener el mismo nivel de salida neta de trabajo, es necesario transferir ms calor al vapor que est en la caldera, para compensar esas prdidas trmicas indeseables. Como consecuencia, la eficiencia del ciclo disminuye.

De particular importancia son las irreversibilidades que suceden dentro de la bomba y la turbina. Una bomba requiere una entrada de trabajo mayor y una turbina produce una salida de trabajo ms pequea como consecuencia de las irreversibilidades.

En condiciones ideales, el flujo por estos dispositivos es isentrpicos. La desviacin de las bombas y turbinas reales de las isentrpicas se compensa exactamente empleando eficiencias adiabticas.

Tambin es necesario considerar otros factores en el anlisis de los ciclos de potencias real. En los condensadores reales, por ejemplo, el lquido suele enfriarse para prevenir el inicio de cavitacin, la rpida vaporizacin y condensacin del fluido en el lado de baja presin del impulsor de la bomba, que a la larga puede destruirla. Hay prdidas adicionales en los cojinetes entre las partes mviles como consecuencia de la friccin.

El vapor que se fuga durante el ciclo y el aire que se ingresa al condensador representan otras dos fuentes de prdidas. Por ltimo, la potencia consumida por equipos auxiliares, como los ventiladores que suministran aire al horno, tambin deben considerarse al evaluar el desempeo de las plantas de potencia reales.

Fig. 4 Irreversibilidades de la bomba y la turbina

Fig. 5 Desviacin del Ciclo Rankine ideal respecto de los reales

1.2 Modelos Matemticos (Ecuaciones)Las expresiones matemticas que se utilizaran en este estudio son las siguientes:

Ecuacin de Flujo estacionario en funcin de la masa (1)

Bomba () O (2)

Caldera () (3)

Turbina ( (4)

Condensador ( (5)Trabajo neto (6)

Eficiencia trmica (7)

Eficiencia trmica de Carnot (8)

Eficiencia isentrpica de la Bomba (9)

Eficiencia isentrpica de la Turbina (10)

Trabajo (11)

Calidad (12) Propiedad termodinmica de una mezcla (13)

Experiencias Previas

Ciclo de potencia de vaporIntroduccin

Con la realizacin de la prctica de Ciclo Rankine o Ciclo de Potencia de Vapor se obtendr la eficiencia de los equipos o unidades que permiten obtener energa elctrica a partir de la energa qumica que entregan los gases producto de la combustin a la caldera, la cual a su vez transforma esa energa en energa trmica cedindola a la turbina, a travs del fluido de trabajo que es el vapor de agua, sta la recibe y la transforma en energa mecnica, para que finalmente el generador la convierta en energa elctrica, Esto permitir evaluar al final un rendimiento total de la planta, dado por el conjunto de varios rendimientos parciales de los elementos que conforman el ciclo, tales como la caldera, sobrecalentador, turbina, bomba y condensador.Posteriormente tambin se realiz el anlisis a los productos de combustin de la caldera, para determinar la composicin de una muestra de gases, haciendo uso del Aparato Orsat en el cual la muestra se pasa a travs de lquidos absorbentes, (Hidrxido de potasio absorbe CO2, Acido Piroglico el O2, Cloruro Cuproso el CO y agua destilada con metilo de naranja absorbe el N2) que remueven componentes especficos, as determinar la combustin terica y real del combustible (gasoil) en el proceso de combustin, su composicin qumica aproximada del combustible quemado, la relacin aire combustible y finalmente establecer el porcentaje de aire en exceso o defecto que participa en la combustin para comprobar si esta fue completa o no.DesarrolloDIAGRAMA T s:

PROCESO ISOENTROPICO DE LA TURBINA:

BOMBA:

CALCULOS:

VELOCIDAD DE TRANSMISIN DE CALOR EN LA CALDERA.

VELOCIDAD DE TRANSMISIN DE CALOR EN SOBRECALENTADOR.

VELOCIDAD DE TRANSMISIN DE CALOR EN EL GENERADOR DE VAPOR (CALDERA + SOBRECALENTADOR).

POTENCIA DE LA TURBINA.

POTENCIA DE LA BOMBA.

VELOCIDAD DE TRANSMISIN DE CALOR EN EL CONDENSADOR.

POTENCIA ELECTRICA.

POTENCIA NETA DEL CICLO.

EFICIENCIA TRMICA DEL CICLO.

EFICIENCIA ISOENTROPICA DE LA TURBINA.

EFICIENCIA DE LA CALDERA.

TRABAJO TIL:

Conclusiones Para los clculos de potencia y calor (QH) de la caldera se tom en cuenta la seccin donde el calor se sobrecalienta (generador de vapor), garantizando que a la turbina solo ingrese vapor totalmente seco de esta manera mejorar su rendimiento. Las eficiencias de la planta fueron relativamente bajas, como resultado de las irreversibilidades existentes, como el roce entre el agua y los componentes de la planta, las prdidas de calor a travs de las tuberas del sistema y de las paredes de la turbina, permitiendo que esta no sea completamente adiabtica. Las cadas de presin entre la salida y la entrada de los dispositivos, se debe a las tuberas de la conexin, admitiendo as la diferencia que existe entre ciclo de vapor real respecto del ideal; es decir en estos no se toma en cuenta dichas cadas o diferencias. Mediante el empleo del sobrecalentador se aumenta isobricamente la entalpa del vapor, transformndolo en vapor sobrecalentado, de esta manera la eficiencia trmica del ciclo puede incrementarse aumentando la temperatura del vapor en la caldera.

ANALISIS ORSAT

Tabla de Datos (lecturas en ml)Volumen de la muestra: 100 ml

Hidrxido de potasio . . . CO2 Acido Piroglico . . . O2 Cloruro Cuproso . . . CO

Porcentajes de dixido de carbono, oxgeno y monxido de carbono presentes en los gases analizados.

ECUACIN QUE RIGE EL PROCESO

Ecuacin Real:

Ecuacin Terica:

PORCENTAJE DE AIRE TERICO USADO EN EL PROCESO Y LA RELACIN AIRE COMBUSTIBLE. (EN BASE MOLAR Y BASE MSICA)

Porcentaje de aire terico:

Relacin Aire Combustible:

Combustible:

1. AIRE TERICO:

2. AIRE REAL:

COMPOSICIN QUMICA APROXIMADA DEL COMBUSTIBLE Y COMPARNDOLA CON LA COMPOSICIN DEL COMBUSTIBLE QUEMADO.

Conclusin y anlisis de resultadosComo era de esperar, en la caldera NO se produjo combustin completa ya que cuando se hizo el anlisis Orsat a los productos de la combustin con aire seco de la misma el CO reacciono.Toda la cantidad de C (7.4 Kmol) se transform en CO2 (7%) y CO (0.4%) toda la cantidad de hidrgeno del combustible (23.12) se transform en H2O.Para que se d una combustin completa, tericamente se asume que no existe oxigeno tampoco CO libre en los productos, se mantiene una presin constante (Presin atmosfrica) y temperatura ambiente para que se un proceso isotrmico. Aunque se sabe que en los procesos reales de combustin es difcil que no queden productos no quemados como el CO.Al analizar los resultados obtenidos del Anlisis Orsat se obtuvo que el porcentaje de CO2 es de 7%, el de O2 9.2 % y el de N2 de 83.4 % (sobrante), y de CO 0.4%. Tomando un volumen inicial de 100ml. La combustin no fue completa debido a que aparece oxgeno en los productos de la combustin, se debera administrar oxigeno una cantidad mayor de aire terico. Por tanto la oxidacin total del combustible se logra utilizando en la mezcla exceso de aire. (73.55%)De estos resultados se procedi a realizar los clculos respectivos, como el principio de conservacin de la masa para balancear cada una de las ecuaciones (terica y real), as obtener la cantidad de aire real y aire terico, los cuales dieron como resultado: aire real 22.18 Kmol y 12.78 Kmol para el aire terico, dando el porcentaje de aire terico 173.55%, con un exceso de aire de 73.55%.

La relacin aire combustible en base masa, tanto para real y terica fue de 21.34 y 12.29 respectivamente. Estos valores son inferiores a los valores de aire terico necesario para la combustin, (real 22.18 y terico 12.78). Lo cual indica que si la cantidad de aire suministrado en una combustin es inferior al aire terico necesario la combustin es incompleta y habr presencia de CO (0.4%). Tambin a partir del Anlisis Orsat se hall la composicin qumica del combustible, el cual fue de 24.25 % de C y 75.75 % de H.La combustin incompleta se debe a tres causas:1. Insuficiencia de Oxigeno.2. Mezcla imperfecta entre el Oxgeno y el combustible.3. Temperatura demasiado baja para mantener la combustin.

BibliografaApuntes de Clases de Termodinmica II (Teora y Laboratorio)Prctica 10: Anlisis Orsat. Laboratorio de Termodinmica IIPrctica 12: Cadena de Rendimiento para la Planta Trmica. Laboratorio de Termodinmica IIhttp://www.unet.edu.ve/~rarevalo/Documentos/ANALISIS%20ORSAT.pdfAutores:Guerrero G. Ana Y. anay.guegar@gmail.comIrazbal G. Mara G. Landnez G. Carolina E. Seccin 3Fecha del Ensayo: 14/07/2008Fecha de Entrega: 21/07/2008