Ciclo Rankine Optimizado

Prácticas de Tecnología de Fluidos y Calor (Departamento de Física Aplicada I - E.U.P. – Universidad de Sevilla)

EL CICLO DE RANKINE Objetivos
Estudiar el ciclo Rankine, analizando la influencia en el rendimiento termodinámico y en la calidad o título de vapor en la turbina, de los parámetros termodinámicos fundamentales que lo caracterizan y de la incorporación del recalentamiento ycalentamiento regenerativo.

Fundamento teórico
El ciclo de Rankine es el ciclo ideal que sirve de base al funcionamiento de las centrales térmicas, 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 ciclo termodinámico, ya que inclusopequeñas mejoras en el rendimiento significan grandes ahorros en los requerimientos de 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 de trabajo cede calor alcondensador. Esto se consigue con una selección cuidadosa de las condiciones de operación de la caldera (presión y temperatura a la que genera el vapor), y del condensador (presión de operación), así como con la incorporación de recalentamientos entre diferentes etapas de expansión y calentamientos regenerativos del agua de alimentación.

Esquema de una central térmica de vapor sencilla (Moran&Shapiro,Ed. Reverté).

Material
Programa informático Spower y tablas termodinámicas del agua saturada (líquido-vapor).

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Prácticas de Tecnología de Fluidos y Calor (Departamento de Física Aplicada I - E.U.P. – Universidad de Sevilla)

Realización de la práctica
El programa informático Spower permite determinar los efectos de diferentes parámetros en el funcionamiento del sistema de producciónde potencia con vapor. En todo el estudio siempre consideraremos que las bombas y turbinas que constituyen la instalación tienen una eficiencia o rendimiento del 60% y del 85%, respectivamente.

1. Rendimiento del ciclo de Rankine simple
Comenzamos estudiando el efecto de las presiones de condensador y caldera, así como del sobrecalentamiento del vapor, en el rendimiento de un ciclo de Rankinesimple. En todos estos casos se usará la opción “1. Simple Rankine Cycle” del menú principal del programa Spower.

1.1. Influencia 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 disminuyeautomáticamente la temperatura del vapor y, en consecuencia, la temperatura a la cual cede el calor de desecho. Lógicamente existe un límite inferior de la presión del condensador que puede usarse: no puede ser inferior a la presión de saturación correspondiente a la temperatura del medio de enfriamiento. Para estudiar la influencia de la presión del condensador en el rendimiento del ciclo de Rankine, vamos aanalizar diferentes ciclos, con las mismas condiciones del vapor a la entrada de la turbina 5 MPa y 550 °C y diferentes presiones de condensador. ♦ Determine con el programa informático (opción “3 to vary condenser pressure”) el rendimiento y la calidad o título del vapor a la salida de la turbina para presiones del condensador que varíen desde 100 hasta 10 kPa en intervalos de 10 kPa.

1.2.Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas
El sobrecalentamiento del vapor hasta altas temperaturas aumenta el rendimiento térmico del ciclo al aumentar la temperatura promedio a la que se proporciona calor. Por consideraciones metalúrgicas, debido a la restricción de los materiales para soportar altas temperaturas, el sobrecalentamiento del vapor está limitado hasta un máximo de 620 °C....