http://libros.redsauce.net/
II.1- INTRODUCCIÓN
La Termodinámica describe y define las transformaciones de una forma energética a otra: química
a térmica, térmica a mecánica y mecánica a térmica.
Se fundamenta en los principios Primera y Segunda Ley de la Termodinámica siguientes:
- El principio de Conservación de la Energía
- Sólo parte de la energía disponible puede pasar a energía útil o trabajo
que aparecen como consecuencia del desarrollo de la máquina de vapor y de los esfuerzos para formular
las observaciones de conversión del calor del vapor en trabajo mecánico.
Independientemente del tipo de trabajo o forma energética que se considere, los conceptos calor,
trabajo y energía tienen significado práctico cuando se refieren a sistemas, procesos, ciclos y sus medios
exteriores. En el caso de un trabajo de expansión, el sistema está constituido por un fluido que se puede
expansionar o comprimir modificando su presión y temperatura.
Un ciclo es una determinada secuencia de procesos, capaz de producir un flujo neto de calor o de
trabajo, cuando la secuencia se dispone entre una fuente energética y un sumidero de energía.
El medio exterior reúne todas las fuentes y sumideros de energía que puedan existir, para procurar
los intercambios de masa, calor y trabajo, hacia o desde el sistema.
El vapor es un sistema termodinámico, que se utiliza en la
generaci ón de energ ía eléctrica
transferencia térmica
, y tiene las
siguientes características:
- Elevada capacidad térmica
- Temperatura crítica muy elevada
- Amplia disponibilidad
- Naturaleza no tóxica
Cuando la capacidad térmica de un fluido de trabajo es elevada, se puede aplicar siempre una determinada
potencia o transferencia de calor, con equipos de tamaño más reducido. La gama de temperaturas
útiles del agua, y su elevado calor específico, satisfacen las necesidades de muchos procesos industriales
y las limitaciones de temperatura que presentan la práctica totalidad de los equipos de conversión
energética.
II.-33
II.2.- PROPIEDADES DE LOS VAPORES Y GASES
Propiedades de los vapores.-
fluido de trabajo, como la entalpía, entropía y volumen específico.
Para analizar un proceso, o un ciclo, se necesitan propiedades del - La entalpía es una medida de la energía interna almacenada, por unidad de masa del flujo de vapor
- La entropía es una medida del potencial termodinámico de un sistema
- El volumen específico es el volumen por unidad de masa del fluido
Las dos primeras columnas de las Tablas de vapor de agua definen una relación biunívoca entre
presión y temperatura, en condiciones de saturación, en las que ambas fases, líquida y gaseosa, coexisten
siempre en equilibrio termodinámico.
Para una presión determinada, el vapor calentado a mayor temperatura que la de saturación es el
vapor sobrecalentado y el agua enfriada a menor temperatura que la de saturación es agua subenfriada
En condiciones de sobrecalentamiento o de subenfriamiento, las propiedades del fluido termodinámico
(entalpía, entropía y volumen específico) son función de la temperatura y de la presión. Sin embargo,
en condiciones saturadas en las que coexisten las mezclas de agua y vapor, la situación es más compleja;
para definir las propiedades exactas se requiere otro parámetro que se conoce como calidad termodinámica
de equilibrio, o título
líquido-vapor, es decir:
x, que se define como el tanto por uno en peso de vapor saturado en la mezcla x
= m
v m
v + ml siendo:
m
m
v la masa de vapor saturadol la masa de agua
La entalpía
conocido el título
i de la mezcla (vapor húmedo), su entropía s y su volumen específico v se pueden calcularx, por las ecuaciones: €
i
= il + x ( iv - il ) €
s
= sl + x ( sv - sl ) €
v
= vl + x (vv- vl ) Los problemas de Ingeniería se plantean sobre diferencias de entalpía o entropía. Las Tablas de vapor
de agua indican un cero arbitrario de referencia para la energía interna y para la entropía, el punto
triple, correspondiente a la temperatura de 0,01ºC y presión de vapor 0,6112 kPa. En el punto triple
coexisten en equilibrio los tres estados (sólido, líquido y vapor).
Propiedades de los gases
y se precisan del mismo unas propiedades bien definidas y fiables para analizar los procesos y
los ciclos. El aire y otros muchos gases utilizados en aplicaciones de ciclos energéticos, se consideran
como gases ideales que cumplen la ley fundamental de los gases perfectos:
.- El aire es un fluido de trabajo muy común en algunos ciclos termodinámicos €
p v
= R T en la que p y T son la presión y temperatura absoluta del gas, y R es una constante propia del gas de
que se trate; para el aire seco, R = 0,287 kJ/kgºK.
La ley de los gases perfectos se utiliza para realizar un primer análisis aproximado del proceso o del
ciclo de que se trate, ya que implica cálculos simples. Los cálculos finales, más precisos, se realizan utilizando
propiedades tabuladas de los gases.
II.-34
II.3.- CONSERVACIÓN DE MASA Y ENERGÍA
Los diferentes procesos termodinámicos vienen regulados por las leyes de conservación de la masa
y de la energía, con excepción de las reacciones nucleares; las leyes de conservación establecen que la
masa total y la energía total (en cualquiera de sus formas) no se pueden crear ni destruir en un proceso.
Fig II.1.- Balance energético en un sistema
Para un sistema energético de flujo abierto, en el que continuamente entra y sale masa, Fig II.2, estas
leyes se expresan en la forma:
- Conservación de la masa:
€
m
1- m2= Δm - Conservación de la energía:
E2 - E1 + E(t) = Q - T en las que
: m es el flujo de masa, y
E es la energía total fluyendo hacia o desde el proceso
E(t) es la variación de energía almacenada en el sistema
Q es el calor que entra o sale del sistema
Δm es la variación de la masa del sistema T
(1) y (2) son las condiciones de entrada y salida, respectivamente
es el trabajo que sale o entra en el sistema
En régimen estacionario, los parámetros
Los términos
Δm y E(t) son iguales a cero. €
E
parte del flujo másico, y la acumulación de energía total almacenada dentro del sistema.
El término
Los componentes de la energía almacenada representada por el término
cinética y potencial.
En un sistema abierto, se necesita un trabajo para mover la masa hacia el sistema, y un trabajo
realizado por el sistema para mover la masa hacia el exterior; el trabajo total es el producto de la masa
por la presión del sistema y por el volumen específico.
Si se separa este trabajo de los demás realizados por el sistema y se subdivide la energía almacenada,
la conservación de la energía se expresa por la expresión:
2- E1 + E(t), representan la energía almacenada, que entra o sale del sistema comoQ es el calor transferido al sistema y el término T el trabajo desarrollado por el mismo.E son las energías interna, m
2 ( u + p v + c 2 2 g
c )
2 - m1 (u + p v + c2 2 g
c )
1+ E ( t ) = Q - Tk siendo:
u la energía interna almacenada
p la presión del sistema
v el volumen específico
c la velocidad del fluido
z la cota
T
k la suma de los trabajos realizados por el sistema II.-35
Los términos de trabajo asociados al movimiento másico de entrada y salida del sistema
han agrupado con la energía almacenada que cruza la frontera del sistema, (trabajo de circulación); todos
los demás trabajos realizados por el sistema se representan por el término
Para los procesos en régimen estacionario, la ecuación de la energía anterior se puede simplificar
más; en este supuesto, en un intervalo de tiempo dado, la masa que entra es igual a la que sale del sistema,
por lo que la ecuación precedente se puede dividir por
(p v) seTk. €
m
2 ó por €
m
balance entre la energía almacenada, debida a los flujos de entrada y salida, y los términos de calor y
trabajo, referidos a la unidad de masa; en este caso, el término de energía almacenada es cero y la conservación
de la energía, se puede expresar en la forma:
1 (que son iguales) obteniéndose un Δ
u + Δ( p v) + Δ c2 2g
c +
g
g
Δ( zc )
= q - wk en la que cada término
Δ es la variación de las propiedades del fluido entre la entrada y la salida. -
La energía interna comprende todas las formas energéticas, con excepción de la cinética y de la potencial
- El término
para mover la unidad de masa saliendo del sistema y entrando al mismo
El valor de Δu es la variación de energía interna almacenada, asociada a los movimientos y fuerzas atómicas y moleculares.Δ(pv) se puede interpretar como la energía almacenada externamente, en la que se refleja el trabajo requerido -
El término
Los restantes términos de energía almacenada externamente dependen de los aspectos físicos del sistema Δ
c
(2 2 g
) es la diferencia de la energía cinética total del fluido, entre la entrada y salida del sistema
El término
Δ
z g
g
(c ) representa la variación de la energía potencial, (diferencia de cotas)
- La aceleración de la gravedad g = 9,8 m/seg
2 - La constante de proporcionalidad gc es propia del sistema anglosajón de unidades, y cuyo valor se obtiene de la equivalencia
entre fuerza y el producto de la masa por la aceleración, es decir:
Fuerza = Masa
g
× Aceleraciónc En el sistema inglés de unidades, cuando se ejerce 1 libra fuerza (1 lb
32,17 ft/seg
En el sistema internacional SI de unidades, la fuerza de 1 N sobre 1 kg masa (1 kg
los valores de g
g
f), sobre 1 libra masa (1 lbm), ésta se acelera2.m), la acelera en 1 m/seg2, por lo quec son:c = 32,17 lbm ft/lbf seg 2 g
c = 1 Kgm/N seg 2
y el término de energía potencial en el sistema internacional de unidades SI
se puede poner como
Δ(z g). La aplicación de la ecuación de la energía requiere siempre de una congruencia dimensional en todos
sus términos, de modo que se deben introducir las constantes de conversión; por ejemplo, los términos
u y
(ft.lb/lb) ó (N.m/kg), multiplicando por el equivalente mecánico del calor
q se expresan normalmente en unidades Btu/lb o J/kg, pero se pueden convertir respectivamente enJ de valor: J = 778,16 ft.lbf /Btu
J = 1 N m/J
En el análisis de las máquinas de vapor, las cantidades de calor se definen como positivas cuando se
aplican al sistema y el trabajo es positivo cuando sale del sistema. Como
también es propiedad del sistema su suma
del mismo y se define como entalpía
u y pv son propiedades del sistema,(u + p v) que se presenta cuando la masa entra o sale €
i
= u + p v
J
, que se expresa usualmente en Btu/lb o J/kg.
II.4.- ALGUNAS APLICACIONES DE LA ECUACIÓN DE LA ENERGÍA
Turbina de vapor.-
sistema independiente, Fig II.2. En la mayoría de los casos prácticos de turbinas de vapor, los valores de
Para aplicar la ecuación de la energía, cada componente se considera como un II.-36
q,
Δz, Δ
( c 2 2g
c )
con el valor de la diferencia
, entre los puntos de admisión (1) y escape (2) de la máquina, son muy pequeños en comparación €
(i
2 - i1 ), por lo que, en consecuencia, se puede poner: €
u
2 + p
2v2 J
−
u1 − p
1v1 J
=
w
k J
⇒
i2 - i1 = w
k J
que indica que, el trabajo realizado por la turbina
€
w
k J
, es la diferencia entre las entalpías correspondientes
al vapor entrante y saliente en la misma, (trabajo de circulación), aunque es muy raro que se conozcan
ambos valores de la entalpía y de ahí que se requieran más datos del proceso, para así llegar a su
determinación.
Caldera de vapor.-
el caso considerado, de modo que
La caldera o generador de vapor no realiza trabajo alguno, cualquiera que sea €
w
Los valores correspondientes a las variaciones de energía potencial
k= 0 .Δz y cinética Δ
( c 2 2g
c )
entrada (1) del agua de alimentación hasta la salida (2) de vapor son muy pequeños, comparados con
la diferencia
, desde la €
(i
La ecuación de la energía, en régimen estacionario, es
2 - i1 ). €
q
= i2- i1, en la que el calor aplicado a la caldera q
por unidad de masa de fluido, es igual a la diferencia entre la entalpía €
i
misma y la
2 del vapor que sale de la €
i
Si se asume que la presión varía muy poco a lo largo de la transformación en toda la unidad generadora
de vapor, y se conoce la presión del calderín, la ecuación anterior se resuelve en cuanto se conozca
la temperatura del agua de alimentación a la entrada de la caldera.
1 del agua de alimentación que entra en el generador de vapor. Flujo a través de un orificio.-
del volumen específico entre la entrada y salida del mismo resulta despreciable, como consecuencia de la
práctica incompresibilidad del agua; también son despreciables
En el caso de un flujo de agua a través de un orificio, la variación €
Δ
se reduce a la expresión:
z, Δu, wk y q, y la ecuación de la energía c
2
2 2g
c -
c
2
1 2g
c =
( p1- p2 ) v en la que el incremento de energía cinética del agua es debido a la caída de presión
€
( p
1- p2 ) Si la velocidad de entrada del agua en el orificio es despreciable se tiene:
€
c
siendo la diferencia de presiones
2 = 2 g c ( p1- p2 ) v , €
( p
1- p2 ) la altura estática. Flujo de un fluido compresible a través de un orificio.-
un gas a través de un orificio o tobera, las variaciones experimentadas en el volumen específico y en la
energía interna no son despreciables. Suponiendo
En el flujo incomprensible del vapor o €
Δ
z despreciable, se tiene: c
2
2 2g
c -
c
2
1 2g
c =
(i1- i2 ) J Si la velocidad de entrada es despreciable, la velocidad de un fluido compresible que sale de un orificio
o tobera es:
€
c
2 = 2 gc J (i1 - i2 ) , función de las entalpías de entrada y salida. II.-37
Compresor.-
se puede admitir, en primera aproximación, que
variación de la velocidad es muy pequeña en comparación con la diferencia de entalpías
En el caso de un fluido compresible que circula por el interior de un compresor adiabático,q = 0; se puede suponer también que Δz = 0 y que la €
(i
que:
2 - i1 ) por lo €
-
w
k J
=
i 2 - i1 en la que el signo menos es consecuencia de que al compresor hay que aplicarle un trabajo. El efecto del
compresor se manifiesta por un incremento en la entalpía del fluido, desde la entrada a la salida.
Bomba.
proceso de bombeo se considera incompresible, siendo su volumen específico invariable, el mismo a la
entrada y a la salida. Si se admite que el rozamiento del fluido es casi nulo, la variación de energía interna
ha de ser nula,
La ecuación de la energía se simplifica y se reduce a la expresión:
- La diferencia que existe entre una bomba y un compresor radica en que el fluido para elΔu = 0. €
- w
k = (p2 - p1 ) v II.5.- CONCEPTO DE ENTROPÍA
El flujo de calor es función de la diferencia de temperaturas que, a su vez, fija la intensidad del flujo.
Si la cantidad de calor se divide por su temperatura absoluta, el cociente se denomina
entropía, de la forma: €
s
2- s 1 = Δs = 1
2
∫ δqrev T
La utilización del símbolo
por lo que
lo mismo se puede decir del trabajo.
Para un flujo de calor reversible a presión constante se tiene
δ significa que el calor q depende del proceso y no es una propiedad del sistema,Δq representa sólo una cantidad infinitesimal y no una diferencial en sentido matemático; €
dq
el calor aplicado reversiblemente al sistema, como en el caso de una caldera, o se puede tomar como
el equivalente a un flujo interno de calor, debido a rozamientos o a otras irreversibilidades.
rev= c p dT , magnitud que representa Procesos reversibles.-
procesos de flujo de calor y de trabajo desempeñan una importante función en la definición del caso límite.
Las propiedades de un sistema en un proceso reversible son homogéneas, ya que no existen variaciones
a lo largo de las diversas partes del sistema.
La combinación de los Principios Primero y Segundo de la Termodinámica conduce a la expresión:
Los procesos termodinámicos reversibles sólo existen en teoría, pero en d u = T ds -
δwk = T ds - p dv siendo
€
δ
con las fuerzas exteriores que actúan sobre el sistema.
El valor de la entalpía se puede poner en la forma
(wrev ) = p dv el trabajo reversible, para una expansión, en donde la presión está en equilibrio €
di
en un sistema abierto el trabajo mecánico reversible, referido a la unidad de masa.
= T ds + v dp , en la que el término (v dp) representa Procesos irreversibles.-
Todos los procesos reales son irreversibles, debido: - Al rozamiento
- A la transferencia de calor con diferencias finitas de temperatura
- A la expansión provocada por una fuerza finita en la frontera del sistema
II.-38
Los procesos reales se pueden resolver en forma aproximada sustituyéndolos por una serie de procesos
reversibles, teniendo dicha serie los mismos estados inicial y final que el proceso real sustituido.
En la Fig II.2 se representa la expansión adiabática del vapor en una turbina, o la expansión de un gas
cualquiera desde
€
p
1 hasta €
p
La máxima energía disponible para el trabajo en un sistema adiabático, es el correspondiente al
valor
2, para producir un trabajo mecánico. €
(i
1- i3 ), en donde €
i
3 se define por la expansión isentrópica adiabática entre €
p
1 y €
p
esa energía disponible, del orden del 10÷15%, representa
la pérdida de trabajo
2. Una parte de €
w
relativas a la configuración de las conducciones, que
limita el salto entálpico
roz debida al rozamiento y a pérdidas €
Δ
intervalo
i para el trabajo mecánico al €
(i
Los dos caminos reversibles utilizables para llegar al
punto
1- i2 ).b de la Fig II.2 son: - El que va desde a hasta c, a entropía constante
- El que va desde c hasta b, a presión constante
Estas transformaciones proporcionan la ecuación:
€
(i
1- i3 ) - (i2- i3 ) = i1- i2 El punto
b queda definido al calcular €
i
el valor de
2, lo que determina €
T
Los valores correspondientes a
2. €
v
1 y €
v
Tablas de propiedades físicas.
El valor
2 se obtienen de €
Δ
i3−2 se puede obtener gráficamente, mediante el área que queda debajo de la curva €
p
los puntos
2 entrec y b, o por medio de la expresión: €
Δ
i3−2 = 3
2
∫ T ds Las áreas limitadas por las transformaciones reversibles en el diagrama
de calor por unidad de masa
Una situación similar se plantea en la relación entre trabajos y áreas bajo las transformaciones reversibles,
en un diagrama
Como consecuencia de esta distinción entre transformaciones reversibles e irreversibles, cuando se
realizan análisis de ciclos hay que tener cuidado en la interpretación gráfica de las áreas consideradas.
En general, la valoración se hace descomponiendo la transformación en pequeños escalones; una
parte de
(T, s), representan el flujoq entre el sistema y el medio exterior.(p, v). €
w
expansión) se puede recuperar en el siguiente escalón. Este es el fundamento del factor de recalentamiento
que normalmente se utiliza en el análisis de las expansiones en una turbina de vapor de varios
escalonamientos. Como en un diagrama
la suma de los valores individuales de
roz (que tiene el mismo efecto que el calor aplicado al sistema correspondiente a la primera(i, s) o en un (T, s), las curvas de presión constante son divergentes, €
Δ
iescalón (saltos isentrópicos), para los respectivos saltos €
Δ
pescalón (escalones de expansión irreversible), resulta ser mayor que el €
Δ
presiones inicial y final, por lo que el trabajo mecánico obtenido con las expansiones parciales, es mayor
que el que se consigue con una única expansión isentrópica entre las presiones inicial y final.
itotal correspondiente entre las II.-39
Fig II.2- Expansión irreversible a-b
II.6.- CICLOS
Un ciclo es una representación de una serie de procesos termodinámicos que configuran una cadena
cerrada que se puede representar en cualquier sistema de coordenadas termodinámicas.
Ciclo de Carnot.
que constituye un ciclo en el que todos sus procesos son reversibles Fig II.3; no tiene equivalente alguno
en las aplicaciones prácticas.
La única forma de ejecutar un proceso a temperatura constante, en sistemas de una sola fase, sería
aproximarse por:
- Se utiliza para definir las características funcionales de un motor térmico, ya una serie compuesta de expansiones isentrópicas y recalentamientos isobáricos
y por otra serie formada por compresiones isentrópicas y refrigeraciones isobáricas
Fig II.3- Ciclos de Carnot; a) Para un gas ; b) Para un vapor húmedo; c) Para un vapor sobrecalentado
Una desventaja de un motor de gas con ciclo de Carnot, sería la pequeña relación entre el trabajo
neto (diferencia entre los trabajos de expansión y de compresión) y el trabajo bruto (trabajo de expansión).
Para un ciclo de dos fases, en la práctica tendría dificultades mecánicas de compresión húmeda y,
en menor grado, de expansión húmeda, al manipular las mezclas
El ciclo de Carnot ilustra los principios termodinámicos básicos y dado que los procesos son reversibles,
permite obtener el máximo rendimiento que se podría alcanzar en un sistema que evolucionase entre
las temperaturas del foco caliente y del foco frío.
En un diagrama (T-s) el rendimiento es:
vapor + agua. €
η
= T
1- T2 T
1 =
T
1 -2 T
1 La formulación del rendimiento térmico se puede extender a todos los ciclos reversibles, en los que
€
T
1 y €
T
entre
que se consideren las mismas temperaturas medias, tanto para el foco caliente como para el foco frío.
2 se definan como temperaturas medias, calculadas dividiendo el calor aplicado y el eliminado reversiblementeΔs; por esta razón, todos los ciclos reversibles tienen el mismo rendimiento, siempre Ciclo Rankine.-
funcionales de la máquina de vapor y era natural seleccionar un ciclo reversible, que se aproximara
a los procesos relacionados con la misma, para así poderlos comparar. El ciclo Rankine, Fig II.4, cumple
el objetivo precedente, de forma que todos los procesos involucrados en el mismo se especifican sólo para
el sistema y se procura llevarlos a cabo reversiblemente, configurando un orden cíclico de procesos:
Los primitivos desarrollos termodinámicos estaban centrados en las características - El líquido se comprime isentrópicamente, entre los puntos a y b
- Entre los puntos b y c se aplica calor reversiblemente, primero al estado líquido comprimido, después a las dos fases
para la vaporización y finalmente al vapor para su sobrecalentamiento
- La expansión isentrópica, con producción de trabajo mecánico, tiene lugar entre los puntos c y d
II.-40
- El calor inutilizable se elimina al sumidero atmosférico, entre los
puntos d y a
La característica principal del ciclo Rankine es que el
bombeo se realiza en la fase líquida, evitandose los elevados
trabajos de compresión y los problemas mecánicos
derivados de una situación similar a la que presenta
un ciclo de Carnot con una compresión de un fluido en
dos fases.
La parte del ciclo entre los puntos
a una escala ampliada, porque la diferencia entre la
curva de saturación y el punto
a aplicar calor) es demasiado pequeña, para poder representarla
a la misma escala que el resto del ciclo.
Por ejemplo, en la compresión isentrópica del agua desde la temperatura de saturación de 212ºF
(100ºC) a 1 atmósfera (1,01 bar), hasta 100 psi (69,0 bar), el aumento de temperatura es inferior a 1ºF
(0,6ºC).
El mayor rendimiento de un ciclo de condensación es consecuencia de las correlaciones presióntemperatura
del agua (fase líquida) y del vapor (fase gaseosa).
En un
212ºF (100ºC), que es la temperatura de saturación correspondiente a la presión atmosférica, 14,7 psi
(1,01 bar).
En un
a la presión atmosférica, lo que supone la ventaja de disponer de una temperatura de fuente fría
más baja, para eliminar calor al medio exterior, agua y atmósfera; la temperatura de condensación en el
ciclo cerrado puede ser del orden de 100ºF (38ºC), o incluso menos. La Fig II.5 muestra la diferencia entre
dos ciclos Rankine, uno de contrapresión y otro de condensación.
a y b se ha representadob (en el que se comienzaciclo abierto o de contrapresión, la mínima temperatura a la que se puede eliminar calor es deciclo cerrado o de condensación, la presión de condensación del fluido de trabajo es igual o inferior Fig II.5.- Ciclos Rankine: a) de contrapresión ; b) de condensación
Los procesos son los siguientes:
- La compresión de líquido tiene lugar entre a y b; las cantidades de trabajo que intervienen en cada uno de los ciclos,
son idénticas
- La aplicación de calor se verifica entre los puntos b y c, siendo el valor del calor participante en cada ciclo, el mismo
- La expansión y la conversión de energía almacenada en trabajo tiene lugar entre los puntos c y d’ para el ciclo abierto
y entre c y d para el ciclo cerrado. Para un proceso irreversible , hay calentamiento interno del fluido y aumento de entalpía
- El calor residual se elimina entre los puntos d’ y a, o alternativamente entre d y a. Como esta última parte del ciclo se
II.-41
Fig II.4.- Diagrama (T-s) del ciclo Rankine ideal
representa como un proceso reversible, las áreas sombreadas son proporcionales a los calores que se eliminan.
Se observa que el calor eliminado en el ciclo abierto es de mayor magnitud.
Ciclo Rankine regenerativo.-
El rendimiento del ciclo reversible, en el que €
T
2 y €
T
absolutas medias del calor eliminado y del calor aplicado, respectivamente, sugiere sólo tres
modos de mejorar el rendimiento del ciclo ideal:
1 son las temperaturas disminuir T
2 aumentar T
1 ambas cosas a la vez
- Poco se puede hacer para reducir T
los sumideros energéticos, en general el medio ambiente. Es posible alguna reducción en el caso de seleccionar condensadores de
presión variable, (grandes unidades con dos o más escapes), ya que la temperatura mínima en el condensador viene influenciada
por la temperatura mínima del agua de refrigeración.
- Hay muchas formas de incrementar T
admitidos por los materiales, en condiciones de muy alta temperatura
2 en el ciclo Rankine, a causa de las limitaciones impuestas a las temperaturas de1 , aunque la temperatura del vapor esté limitada por la corrosión y por los esfuerzos Una de las primeras mejoras introducidas en el ciclo Rankine fue la adopción del calentamiento regenerativo
del agua del ciclo; este tipo de calentamiento se efectúa extrayendo vapor en varios escalonamientos
de la turbina, para calentar el agua del ciclo (condensada y alimentación), a medida que se
bombea desde el condensador hacia el economizador de la caldera.
La Fig II.6 es un diagrama de un ciclo de vapor a presión supercrítica, muy utilizado, que muestra
la disposición de varios componentes, incluyendo calentadores de agua del ciclo; este ciclo contiene una
etapa de recalentamiento del vapor, que también es otro medio de aumentar la
€
T
de que sea el ciclo de alta temperatura AP o con recalentamiento intermedio, la regeneración se
usa en todas las plantas energéticas modernas de vapor con condensación. La regeneración aumenta el
rendimiento del ciclo, implica un menor flujo volumétrico en los escalones finales de la turbina, y facilita
medios para la desgasificación o desaireación necesaria del agua del ciclo.
Algunos parámetros utilizados en los balances energéticos de las plantas termoeléctricas, que figuran
dentro de los esquemas que representan los calentadores regenerativos de agua del ciclo, pueden ser:
1 media. Independientemente - La temperatura de aproximación del enfriador de purgas, que es la diferencia entre la temperatura de salida del lado
de la carcasa del calentador y la temperatura de entrada del agua del ciclo
- La diferencia terminal de temperaturas, que es la diferencia entre la temperatura del vapor en el lado de la carcasa
(temperatura de saturación) y la temperatura de salida del agua del ciclo
- La presión nominal del lado de la carcasa
El diagrama (T-s) de la Fig II.6, muestra el principio de regeneración, en el que la temperatura media
del fluido de trabajo se incrementa como consecuencia de la aplicación de calor. En la caldera, en lugar
de un aporte calorífico que debería empezar a la temperatura correspondiente al foco de agua caliente
del condensador 101,1ºF (38,4ºC), el uso de calentadores de agua del ciclo eleva su temperatura a
502ºF (261ºC), a la entrada del economizador. En principio, parece conveniente fijar la temperatura del
vapor recalentado en el límite máximo que admita el fluido de trabajo y su contenedor. Sin embargo, el
aumento de
€
T
y ésto puede provocar un final de la expansión de vapor en la zona de vapor sobrecalentado, con
lo que la temperatura media
1 no mejora el rendimiento, por cuanto la entropía aumenta acompañando al recalentamiento, €
T
escape se extraiga para un calentador regenerativo, que caliente agua que va a la caldera.
Como en los procesos que configuran el ciclo hay diversos regímenes de flujo, en la Fig II.6 se superponen
pequeñas secciones de los diagramas
parámetros respectivos de vapor y líquido saturados, que sólo se pueden comparar con puntos específicos
del diagrama y corresponden a partes del ciclo que representan calor aplicado al vapor de AP y a la
2 de eliminación de calor se eleva, a no ser que el vapor sobrecalentado de(T, s) individuales sobre un diagrama base que identifica los II.-42
expansión de este vapor en la turbina de AP. En estas partes del ciclo, la entropía específica del fluido y
los valores representados en el diagrama son los mismos. En cada uno de los puntos de extracción de
vapor, en las turbinas de MP y BP, la línea de expansión debe mostrar una disminución de entropía, debido
al menor flujo que entra en el siguiente escalón de la turbina.
Fig II.6.- Diagrama (T-s) para ciclo de vapor con combustible fósil
Recalentamiento simple y 7 calentadores regenerativos de agua del ciclo
Sin embargo, por conveniencia, los últimos escalones individuales de la línea de expansión se han
desplazado hacia la derecha, para mostrar la expansión del vapor recalentado como un proceso continuo.
El calentamiento de agua del ciclo por medio de los regeneradores, y la compresión dada por las
bombas, da lugar a un aumento de entropía, en el que:
- La entropía aumenta debido al calor aplicado al agua del ciclo, en el intercambio regenerador
- La entropía disminuye debido
a la condensación y enfriamiento de los vapores extraidos
a las purgas de los calentadores regenerativos de mayor presión
Extracciones y sangrías de vapor.-
punto de la turbina de vapor, en cuanto a su utilización y retorno al ciclo:
Conviene diferenciar las salidas de vapor desde cualquier - La extracción
se integra en el ciclo termodinámico.
es un flujo de vapor para regeneración (calentamiento de agua del ciclo térmico), que - La sangría
es un flujo de vapor para proceso que sale fuera del ciclo y que no retorna al mismo. Ciclo Rankine normal.-
II.7, llega al estado indicado por el punto 1 se extrae una parte del vapor, con lo que la mezcla restante
adquiere las características del punto 2, que se expansiona de nuevo, hasta el punto 3, donde se extrae
una nueva fracción, y así sucesivamente; en este proceso se describe, aproximadamente, la línea continua
(C2468...D’), prácticamente conjugada con la (BF); cuanto más numerosas sean las sangrías, más
se acercará la línea de expansión a la línea continua (CD’).
El vapor que se extrae en cada sangría se utiliza para calentar el agua de alimentación del generador
de vapor en los economizadores o precalentadores, a la temperatura correspondiente a la extracción;
en estas condiciones, el área del ciclo de Carnot y el área del nuevo ciclo, son casi iguales. El calor cedido
por el vapor en estas sangrías, área (Cdd’D’C), equivale aproximadamente al necesario para calentar el
agua de F a B, área (BefFB), por lo que ambos rendimientos serían muy semejantes.
Cuando el vapor que se expansiona adiabáticamente a partir de C, Fig II.-43
Fig II.7.- Ciclo Rankine normal con infinitas extracciones
Para estudiar el ciclo se puede suponer que el fluido de trabajo atraviesa isentrópicamente las etapas
de la
turbina
bombas
, y que en el
generador de vapor
condensador
precalentador del agua de alimentación
, el fluido no experimenta pérdidas de
presión
Para una extracción de vapor, la presión óptima de la misma es la correspondiente a la temperatura
media entre la temperatura de la caldera y la del condensador. Si el vapor se extrae en alguna situación
límite, ya sea antes de la entrada en la turbina, o bien después de la misma, se encuentra que la eficiencia
térmica no se modifica, y de ahí el que como la regeneración sí aumenta la eficiencia, la existencia
de una presión óptima de extracción es fundamental; así se realizan las siguientes operaciones, Fig
XIII.8:
(N2) es el calentamiento del líquido
(2M) es el proceso de vaporización en la caldera
(M3) es el sobrecalentamiento
(34) es la expansión en la turbina, 1 kg en (3A) y (1- a) kg en (A4)
(41) es la condensación, (1- a) kg
(AN) es el proceso de la extracción de vapor, a kg
El número máximo de economizadores puede llegar a ser de 6 a 8, para grandes turbinas y, aunque
aumentan la eficiencia térmica, también es cierto que se aumenta el coste de la instalación, lo cual obliga
a limitar su número; así que, aunque en principio un gran número de economizadores originaría un
calentamiento progresivo del agua de alimentación de la caldera, la complejidad de tal instalación supone
que el número más usual de precalentadores se limite a 3 ó 4.