Termodinamica

Ingeniería Térmica – P t II I i í Té i Parte Capítulo 10

Ciclos de Potencia de Vapor y Combinados
Guía de Estudio
Texto base: Termodiámica 5ª edición Cengel - Boles

Consideramos ciclos de potencia en los que el fluido de trabajo experimenta un cambio de fase El mejor ejemplo de este ciclo es el “ciclo de potencia de vapor”, en fase. el que el fluido de trabajo es el agua (vapor) (vapor).Ciclo de Vapor de Carnot
c

c n

f

f

2

El ciclo motor se puede descomponer en los siguientes componentes:
ESQUEMA TERMODINAMICO DE CENTRAL TERMICA DE VAPOR
CALDERA 2 2' TURBINA

qcald Wturb 3

1'

Wbomb 3' 4' 1 BOMBA CONDENSADOR 4 qcond

El fluido de trabajo, vapor (agua), realiza un ciclo termodinámico 1-2-3-4-1. El ciclo 3 de Carnot se puede representar en el diagramaT-s siguiente

p2

T
3

2

p1

1

4

s

La eficiencia térmica del ciclo es dada por:

ηter , Carnot = Carnot

Wneto Q T = 1 − sal = 1 − F Qent Qent TC

Tener en cuenta el efecto de TC y TF en el rendimiento ηter Carnot T t l f t d l di i t •A mayor TC , mayor ηter Carnot •A menor TF , mayor ηter Carnot
4

Para incrementar la eficiencia térmica de cualquier ciclo,intentaremos aumentar la temperatura a la cual el calor es añadido Razones por las que no se emplea el Ciclos de Carnot: •El proceso de bombeo 1-2, requiere el bombeo de una mezcla de vapor – líquido, en el estado 1, con salida como líquido saturado en el estado 2. •Sobrecalentar el vapor para tener la ventaja de una temperatura alta requiere alta, complicados controles para mantener la constantemientras el vapor se expande y realiza un trabajo. Para resolver las dificultades asociadas con el ciclo de Carnot, se ideó el ciclo Rankine.

Ciclo Rankine
El ciclo simple de Rankine tiene los mismos componentes expuestos que el de Carnot, Carnot indicados antes El ciclo simple Rankine continúa la condensación 4 1 hasta antes. 4-1 que se alcanza la saturación del líquido. Procesos del Ciclo RankineIdeal Proceso Descripcion 1-2 Compresión isentrópica en la bomba 23 2-3 Adición de calor a presión constante en la caldera 3-4 Expansión isentrópica en la turbina 5 4-1 Rechazo de calor a presión constante en el condensador

Se incluye el diagrama T-s para el ciclo Rankine . Se deben de localizar los procesos de transferencia de calor y de trabajo en el diagrama.
6000kPa

T

3 2
10kPa

14

Ejemplo 10-1

s

Calcular la eficiencia térmica de un ciclo Rankine ideal, en le que el vapor sale de la caldera (boiler), sobrecalentado a 6 MPa, 350oC, y es condensado a 10 kPa. Usamos el ciclo y diagrama T-s mostrados anteriormente. P2 = P3 = 6 MPa = 6000 kPa T3 = 350oC P1 = P4 = 10 kPa

6

Bomba El trabajo de la bomba es obtenido de la conservación de masa y energía para flujoestacionario, pero despreciando variaciones de energía cinética y potencial y asumiendo que la bomba es adiabática y reversible.
m1 = m2 = m m1h1 + Wbomba = m2 h2 Wb b = m(h2 − h1 ) bomba

Como el proceso de bombeo es realizado por un líquido incompresible, el estado 2 corresponde a la región de líquido comprimido, y usamos un segundo método para encontrar el trabajo de la bomba, o sea el Δh através de la bomba. Según la relación de propiedad: dh = T ds + v dP

Puesto que el bombeo 1-2 es isentrópico, ds = 0.

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La asunción de líquido incompresible, permite
v ≅ v1 = const . h2 − h1 ≅ v1 ( P2 − P ) 1

El trabajo de la bomba es calculado mediante
Wbomba = m(h2 − h1 ) ≅ mv1(P2 − P1 ) w bomba = Wbomba = v1(P2 − P1 ) m

Usando las tablas de vapor

kJ ⎧ h1 = h f = 191.81 kg P= 10 kPa ⎫ ⎪ ⎪ 1 ⎬⎨ Liquido sat.⎭ ⎪ m3 v = v f = 0.00101 ⎪1 kg ⎩
w bomba = v1(P2 − P1 ) m3 kJ = 0.00101 (6000 − 10) kPa 3 kg m kPa kJ = 6.05 kg

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Ahora, h2 se saca de

h2 = wbomba + h1 kJ kJ + 191.81 kg kg kJ = 197.86 kg = 6.05

Caldera (boiler) Para sacar el calor añadido en la caldera, aplicamos el flujo estacionario y la conservación de masa y energía Despreciando las variaciones...