Capitulo 2: PLANTA SIMPLE DE VAPOR

PRESENTA:JAIME SANCHEZ CHRISTIAN

PLANTA SIMPLE DE VAPOR• Una planta de vapor para generación de potencia

sirve para generar energía eléctrica al menor costo posible.

• La búsqueda de una operación con eficiencia ha llevado a la construcción de plantas muy complejas.

• Sin embargo, en esta ocasión únicamente conoceremos el rendimiento del tipo más simple de planta cíclica de vapor.

• Esto puéde ser útil inclusive para las plantas pequeñas, aunque no para las plantas muy grandes de generación de potencia que se encuentran en las modernas centrales generadoras.

El fluido entra a la caldera en forma de agua a alta presión y a baja temperatura y sale como vapor a alta presión y alta temperatura; el calor se transmite al fluido mientras éste se mantiene a una presion más o menos constante.

Debido a la baja presión que existe en el condensador, de donde se elimina el aire al inicio y por medio de una bomba de aire o eyector, el vapor sale de la caldera! pasa por la turbina, pierde temperatura y realiza trabajo en la flecha o eje de la turbina al llevarse a cabo la expansión del fluido desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador.

• El vapor de evacuación a baja temperatura, que invariablemente es una mezcla de vapor húmedo, se condensa a una presión casi constante en la superficie exterior de los tubos del condensador, al mismo tiempo que transfiere calor al agua que circula por los tubos. El condensado resultante se elimina del condensador por medio de una bomba que actúa a la vez como bomba de extracción de condensado y de alimentación de la caldera al suministrar el agua de condensación en forma de agua de alimentación a alta presión a la caldera.

• Las presiones en la caldera y en el condensador se mantienen más o menos constantes para todas las cargas, por lo que al abrir la válvula :de estrangulamiento que hay en la entrada de la turbina, se incrementa el gasto de vapor que va hacia ella. La rapidez a la cual se genera vapor en la caldera se incrementa en forma simultánea, al aumentar la rapidez de suministro de combustible y aire al hogar de la caldera; debido a lo anterior se mantiene constante la presión a la que se genera el vapor.

PARAMETROS DE

RENDIMIENTO• El rendimiento medido de una planta simple de

vapor se expresa en términos de los tres parámetros de rendimiento siguientes:

• EFICIENCIA TERMICA O DEL CICLO:Relación de la producción de trabajo neto al calor suministrado.

DONDE:=EFICIENCIA TERMICA O DEL CICLO=TRABAJO NETO=CALOR SUMINISTRADO

• EFICIENCIA DEL DISPOSITIVO DE CALENTAMIENTO:

DONDE:=Eficiencia del dispositivo de calentamiento=Trabajo neto=Poder calorífico

• EFICIENCIA GLOBAL:

=Eficiencia global=TRABAJO NETO=Poder calorífico=EFICIENCIA TERMICA O DEL CICLO=Eficiencia del dispositivo de calentamiento

CRITERIO DE RENDIMIENTO PARA LA EFICIENCIA DEL CICLO SIMPLE DE

VAPOR-EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE

• El criterio de rendimiento apropiado con respecto al cual se puede comparar el valor medido de es la eficiencia del ciclo de una planta IDEAL de VAPOR, a la que se le suministra vapor a la misma temperatura y presión y de donde sale el vapor de escape a la misma presión del condensador.

• Esta planta ideal debe producir el máximo trabajo neto posible para un insumo de calor dado cuando trabaja a las condiciones especificas del vapor.

• Por la segunda ley de la termodinámica, se sabe que todos los procesos irreversibles dan como resultado la pérdida de aprovechamiento para generar trabajo, de modo que en la planta ideal todos los procesos deben ser reversibles.

• Al ciclo reversible que resulta se le llama ciclo ideal de Rankine

• y a su eficiencia se le denomina eficiencia del ciclo de Rankine, para las condiciones de vapor especificadas. (Debe hacerse notar que cuando se describe un ciclo como reversible, se quiere decir que todos los procesos que constituyen el ciclo son reversibles.)

CICLO IDEAL DE RANKINE• Es el ciclo ideal de las centrales eléctricas de vapor, y funciona

de manera que el fluido de trabajo cambia de fase de líquido a vapor.

• El fluido de trabajo generalmente es agua para el ciclo de Rankine.

1-2: Compresión isoentrópica en una bomba.2-3: Adición de calor isobárico en una caldera.3-4: Expansión isoentrópica en una turbina.4-1: Rechazo de calor isobárico en un condensador.

ESTADOS PARA EL CICLO IDEAL1: Liquido saturado2: Liquido comprimido3: Vapor sobrecalentado4: Mezcla saturada.

• Como el ciclo ideal debe ser internamente reversible:

1.-No debe haber caídas de presión por fricción en la caldera, en el condensador ni en las tuberías; 2.-El flujo a través de la turbina y de la bomba de alimentación debe ocurrir sin fricción.

-En una planta ideal tampoco debe haber pérdidas de energía por fugas de calor de cualquiera de los componentes de la planta al medio ambiente. -En ese caso, la expansión del fluido en la turbina y su compresión en la bomba de alimentación serán adiabáticas y sin fricción, de manera que estos procesos serán isentrópicos.

• A continuación se realizará una descripción de los componentes del ciclo y el comportamiento termodinámico registrado en el diagrama Ts:

• Según este ciclo consta de una caldera, donde el agua (que es el fluido más conveniente por ser abundante y barato) entra a la caldera en 2 como líquido y sale al estado de vapor en 3’.

• Después de que el vapor saturado sale de la caldera en el estado 3’ pasa a través del sobrecalentador recibiendo energía, incrementado la temperatura del vapor a presión constante hasta el estado 3 (vapor sobrecalentado).

• Luego hay una máquina de expansión (turbina) donde el vapor se expande produciendo trabajo, saliendo en el estado 4. A continuación este vapor entra a un aparato de condensación de donde sale como líquido al estado 1. Este a su vez es tomado por una bomba de inyección necesaria para vencer la presión de la caldera, que lo lleva al estado 2 donde ingresa a la caldera.

• El estado del fluido cuando se le somete al ciclo ideal de Rankine y sale vapor sobrecalentado de la caldera, será como el que se ilustra en los diagramas.

𝜂𝑐𝛾=𝑊 𝑁𝐸𝑇𝑂

𝑄𝐵

=𝑄𝐵−𝑄𝐴

𝑄𝐵

=𝐴𝑟𝑒𝑎23412𝐴𝑟𝑒𝑎23562

ECUACIONES DE LA EFICIENCIA

DEL CICLO DE RANKINE• La eficiencia térmica del ciclo de Rankine se

puede expresar de la siguiente manera:• ECUACION EXACTA:

• ECUACION APROXIMADA:

𝜂𝑅𝐴𝑁𝐾𝑒𝑥𝑎𝑐𝑡𝑎=𝑊 𝑇−𝑊 𝑃

𝑄𝐵

=(h3−h4 )−(h2−h1)

(h3−h2)

𝜂𝑅𝐴𝑁𝐾 𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥=(h3−h4 )(h3−h1)

COMPARACIÓN DEL RENDIMIENTO REAL CON EL IDEAL - RELACIÓN DE

EFICIENCIA

• Como la eficiencia del ciclo de Rankine es el criterio por excelencia con respecto al cual se puede comparar la eficiencia medida del ciclo de una planta de vapor real, la relación entre estas dos eficiencias da una medida del rendimiento de la planta real.

• A esta relación se le llama RELACIÓN DE EFICIENCIA.

• Es una medida que da más información acerca del rendimiento de la planta que la eficiencia del ciclo, ya que esta última no da información en cuanto a qué tanto mejor, en teorla, podría haber sido el rendimiento.

• Como el trabajo neto generado es casi igual al trabajo generado por la turbina cuando es pequeño el suministro de trabajo a la bomba de alimentación y como los efectos de las caídas de presión en la caldera, en el condensador y en las tuberías son relativamente pequeñas, la relaciónn de eficiencia es aproximadamente igual a la eficiencia isentrópica de la turbina.

Desventajas de la planta de vapor

real - efecto de las

irreversibilidades • Todos los procesos irreversibles originan una pérdida de

áprovechamientos para generar trabajo, por lo que, si se quiere explicar el bajo rendimiento de una planta, éstos son los que se deben Investigar.

• Todos los procesos en los que hay fricción son irreversibles y aquí el propósito es estudiar la reducción del trabajo debido a algunos de ellos.

• Aquí, la atención se centrará en los defectos que hay dentro del Ciclo;es decir, en los procesos irreversibles internos.

• Para fines ilustrativos, sólo se consideraran dos y se supondrán ideales los procesos que ocurren en el resto de la planta. Los dos que se ilustran a continuacion

CAIDA DE PRESION POR FRICCION EN LOS TUBOS DE VAPOR Y ENTRE LOS EXTREMOS DE LA VALVULA DE

EXTRANGULAMIENTO INSTALADA ENTRE LA CALDERA Y LA TURBINA

• Si se desprecian las pérdidas de calor por fugas, este es un proceso adiabático con estrangulamiento.

• Aplicada a tal proceso, la ecuación de energía en flujo estable indica que la entalpia del vapor después de la válvula de estrangulamiento que está en el punto 3', será igual a la entalpía del vapor que sale de la caldera en el punto 3,porque la diferencia entre las energías cinéticas del vapor de agua en estos dos puntos es muy pequeña. Así, la generación ideal de trabajo que puede obtenerse de la turbina se reduce de a

La generación ideal de trabajo que puede obtenerse de la turbina se reduce de a .La magnitud de esta reducción se indica como Δ´.

EFECTOS DE LA FRICCION EN EL FLUJO A TRAVES DE LA TURBINA

• Debido a los efectos de la fricción en las tobera s y conductos entre álabes de la turbina, la entalpía de salida es mayor que lo que sería en el caso ideal y, en consecuencia, el trabajo generado por la turbina es menor. El estado del vapor a la salida es el que se tiene en 4’’, en lugar del que se tiene en 4’.

• La reducción resultante en el trabajo generado por la turbina se indica como Δ’’.

El estado del vapor a la salida es el que se tiene en 4’’, en lugar del que se tiene en 4’. La reducción resultante en el trabajo generado por la turbina se indica como Δ’’

• Su magnitud puede especificarse definiendo a la eficiencia isentrópica de la turbina, , como la relación de la caída real de entalpla en la turbina con la caída isentrópica de entalpia al ocurrir la expansión desde las mismas condiciones ideales y a la misma presión de escape así:

EFICIENCIA ISENTROPICA DE LA TURBINA:

PARA UNA TURBINA IDEAL ESTA SERIA IGUAL AL 100%

TRABAJO PERDIDO POR IRREVERSIBILIDAD

• Como estas irreversibilidades no afectan el insumo de calor al ciclo, sino que éste sigue siendo igual a , la reducción en Wneto es igual al incremento en el calor rechazado. Si el vapor de escape es húmedo, como sucede en la práctica, entonces el trabajo perdido por razones de irreversibilidad puede expresarse simplemente como:

TRABAJO PERDIDO=INCREMENTO EN

• Esta cantidad es igual al área 4"455"4" en la figura:

Asl el trabajo que se pierde por irreversibilidad es igual al producto (INCREMENTO DE ENTROPIA DEL VAPOR DEBIDO A IRREVERSIBILIDADES)

ECUACIONES OPCIONALES DE LA EFICIENCIA DEL CICLO DE RANKINE Y LA

RELACIÓN DE EFICIENCIA, EN TÉRMINOS DELA ENERGÍA DISPONIBLE