Ciclo de las turbinas de vapor

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CICLO DE LAS TURBINAS DE VAPOR

1 INTRODUCCIÓN

El ciclo de Rankine es el ciclo ideal que sirve de base al funcionamiento de las centrales térmicas con turbinas de vapor, las cuales producen actualmente la mayor parte de la energía eléctrica que se consume en el mundo. La evolución de las centrales térmicas ha estado condicionada por la búsqueda de mejoras en el rendimiento térmico del ciclotermodinámico, ya que incluso pequeñas mejoras en el rendimiento significan grandes ahorros en los requerimientos del combustible. La idea básica detrás de todas las modificaciones para incrementar el rendimiento de un ciclo de potencia es aumentar la temperatura promedio a la cual el calor se transfiere al fluido de trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio a la cual el fluido detrabajo cede calor al condensador. Vamos a analizar en esta práctica, por medio del programa informático CyclePad las diferentes maneras de lograr este objetivo con el ciclo de Rankine.

2 ESTUDIO DEL RENDIMIENTO DEL CICLO DE RANKINE SIMPLE

2.0 Configuración inicial

Inicialmente consideraremos en la instalación bombas y turbinas ideales, para posteriormente analizar el efecto de lasirreversibilidades sobre el funcionamiento de la planta.

• Diseñe inicialmente el esquema de la planta con sus componentes: caldera, turbina, bomba y condensador



• Suponer las siguientes características de trabajo de los dispositivos: Turbina y bomba son isoentrópicos; condensador y caldera son isobáricos.

Comenzaremos por las tres formas de aumentar el rendimiento en un ciclo de Rankinesimple.

2.1 Reducción de la presión del condensador

El vapor existe como mezcla saturada en el condensador a la temperatura de saturación correspondiente a la presión dentro del condensador. Por consiguiente, la reducción de la presión de operación del condensador reduce automáticamente la temperatura del vapor y, en consecuencia, la temperatura a la cual cede el calor de desecho.Lógicamente existe un límite inferior en la presión del condensador que puede usarse: no puede ser inferior a la presión de saturación correspondiente a la temperatura del medio enfriamiento.

Para estudiar la influencia de la presión del condensador en el rendimiento del ciclo de Rankine, vamos a variar la presión de entrada al condensador desde 0.01 bar hasta 1.0 bar, dejando fijo los valores de entradaa la turbina según la siguiente tabla:

T3 p3
Grupo 1 480 ºC 40 bar
Grupo 2 500 ºC 42 bar
Grupo 3 520 ºC 44 bar
Grupo 4 540 ºC 46 bar
Grupo 5 560 ºC 48 bar

• Represente el rendimiento térmico del ciclo frente a la presión en el condensador. ¿Qué mejora del rendimiento se ha obtenido? ¿A qué temperatura sale el vapor de la turbina en el caso óptimo?

Suponga que la temperatura de unrío disponible donde verter el calor de desecho es de 20 ºC ¿Cuál es la presión mínima con la que se podría operar en el condensador?

• Represente la diferencia Carnot –  frente a la presión del condensador. ¿En qué caso el ciclo real se aproxima más al ideal? ¿Estaría justificado un estudio de sensibilidad preliminar del ciclo a partir del ciclo de Carnot?.

• Represente la calidad del vapora la salida de la turbina frente a la presión en el condensador. ¿Qué efecto tiene la reducción de la presión en el condensador sobre la calidad del vapor a la salida de la turbina? ¿Es un efecto deseable o indeseable?

2.2 Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas

El sobrecalentamiento del vapor hasta altas temperaturas aumenta el rendimiento térmico del ciclo al aumentar latemperatura promedio a la que se proporciona el calor. El sobrecalentamiento del vapor está limitado hasta un máximo de 620 ºC por consideraciones metalúrgicas, es decir, por la capacidad de los materiales para soportar altas temperaturas.

Comparemos diversos ciclos en los que tomaremos como presión en la caldera y como presión en el condensador los siguientes:

p3 p4
Grupo 1 140 bar 0.2 bar...
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