CICLO DE RANKINE

ANDRES FELIPE SARAVIA CASTAÑEDA

JULIAN DAVID VALDERRAMA ASCENCIO

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS

TERMODINAMICA DE HIDROCARBUROS

BARBOSA

2015

CICLO DE RANKINE

JULIAN DAVID VALDERRAMA ASCENCIO

ANDRES FELIPE SARAVIA CASTAÑEDA

EXPOSICÓN DE TERMODINÁMICA SOBRE EL CICLO DE RANKINE

VICTOR HUGO CELY NIÑO

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS

TERMODINAMICA

BARBOSA

2015

CICLO DE RANKINE

¿QUE ES EL CICLO DE RANKINE?

Es un ciclo termodinámico ideal para las centrales eléctricas de vapor, al ser un

ciclo ideal no tiene ninguna irreversibilidad interna y está compuesto por una

turbina, un condensador, una bomba y una caldera, con las que se permite realizar

los siguientes procesos:

1-2 Comprensión isentrópica de una bomba.

2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera.

3-4 Expansión isentrópica en una turbina.

4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador.

Estados del ciclo:

El agua entra a la bomba como liquido saturado.

El agua entra a la caldera como liquido comprimido.

El vapor sobrecalentado entra a la turbina.

El vapor entra al condensador.

El agua entra a la bomba en el estado 1 como (liquido saturado) y se condensa

isentrópicamente hasta la presión de la caldera, generando que el agua aumente

su temperatura.

El agua entra a la caldera en el estado 2 (liquido comprimido) y sale en el estado 3

(vapor sobrecalentado), esto se da porque la caldera se comporta como un

intercambiador de calor se transfiere calor al agua generando que se produzca valor

sobrecalentado (generador de vapor).

El vapor sobrecalentado en el estado 3 entra en la turbina en donde se produce el

trabajo para mover el eje que se encuentra conectado al generador eléctrico, esto

se da a que el vapor sobrecalentado se expande isentrópicamente, donde la

temperatura y la presión disminuyen durante este proceso hasta los valores en el

estado 4 donde el vapor (húmedo) entra al condensador el cual se encuentra a

presión constante en el que se enfría el vapor y por ende se produce el líquido

saturado que entra a la bomba

Análisis de energía del ciclo

Para el flujo estacionario.

(𝑞𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑞𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎) + (𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎) = ℎ𝑠 − ℎ𝑒

Como la caldera y el condensador no me generan ningún trabajo y la bomba y la

turbina son isentrópicas a continuación encontraremos las ecuaciones de energía

para cada dispositivo:

𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 𝑞 = 0̇

𝑊𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎,𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = ℎ2 − ℎ1 → 𝑊𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎,𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑣(𝑃2 − 𝑃1)

Otros dispositivos:

Trabajo total:

𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑞𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑞𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎,𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − 𝑤𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎,𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

Rendimiento del ciclo:

𝜂𝑡é𝑟 =𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜

𝑞𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎= 1 −

𝑞𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

𝑞𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

Maneras de incrementar la eficiencia

La eficiencia se incrementa al aumentar la temperatura promedio a la que el calor

se transfiere al fluido de trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio

a la que el calor se rechaza del fluido de trabajo en el condensador.

Reducción de la presión del condensador: en este caso se mantiene el

estado de entrada a la turbina igual, siendo que la reducción de la presión

del condensador me reduce la temperatura del vapor; en la diagrama la parte

sombreada representa el aumento del trabajo neto de salida.

Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas: el efecto del

sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas es disminuir el contenido

de humedad del vapor a la salida de la turbina y su además solo me

incrementa la eficiencia térmica porque me aumenta la temperatura

promedio. En el siguiente diagrama el área sombreada me representa el

aumento del trabajo.

23

141hh

hh

ter

2

'

3

1

'

4' 1hh

hhter

terter '

Incremento de la presión de la caldera: este proceso eleva la temperatura

promedio a la cual se transfiere calor al vapor y de ese modo incrementa la

eficiencia térmica del ciclo, pero aumenta el contenido de humedad del vapor

en la salida de la turbina

23

141hh

hh

ter

2

'

3

1

'

4' 1hh

hhter

terter '

23

141hh

hh

ter

'

2

'

3

1

'

4' 1hh

hhter

terter '

Ciclo ideal con recalentamiento:

Consiste en expandir el vapor en la turbina en dos etapas y recalentarlo entre ellas,

para así solucionar el problema de humedad excesiva en las turbinas, ya que el

aumento en la presión de la caldera incrementa el contenido de humedad.

En la primera etapa el vapor se expande isentrópicamente hasta una presión

intermedia y regresa a la caldera donde se recalienta a presión constante, hasta la

temperatura de entrada de la turbina, en la segunda etapa el vapor se expande

isentrópicamente hasta la presión del condensador.

El uso de más de dos etapas de recalentamiento no es práctico, debido a que el

segundo recalentamiento me genera la mitad del mejoramiento que me produce un

solo recalentamiento, debido a que la presión de entrada de la turbina no es alta,

por lo que un doble recalentamiento me genera un escape sobrecalentado

Balance energético

𝑞𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑞𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 + 𝑞𝑟𝑒𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = (ℎ3 − ℎ2) + (ℎ5 − ℎ4)

𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎,𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 𝐼 + 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎𝐼𝐼 = (ℎ3 − ℎ4) + (ℎ5 − ℎ6)

Ejercicio: ciclo de Rankine ideal con recalentamiento

Considere una central eléctrica de vapor que opera en el ciclo Rankine ideal con

recalentamiento. El vapor entra a la turbina de alta presión a 15 MPa y 600 °C y se

condensa a una presión de 10 KPa. Si el contenido de humedad del vapor a la

salida de la turbina de baja presión no excede 10.4 por ciento, determine:

a) La presión a la que el vapor se debe recalentar

b) La eficiencia térmica del ciclo. Suponga que el vapor se recalienta hasta la

temperatura de entrada de la turbina de alta presión.

Estado 6

P6 = 10 KPa

𝑥6 = 0.896 (𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑜)

𝑆6 = 𝑆𝑓 + 𝑥6𝑆𝑓𝑔 = 0.6492 + 0.896(7.4996) = 7.3688 𝐾𝐽

𝐾𝑔 ∗ 𝐾

Además,

ℎ6 = ℎ𝑓 + 𝑥6ℎ𝑓𝑔 = 191.81 + 0.896(2392.1) = 2335.1 𝐾𝐽

𝐾𝑔

Estado 5:

𝑇5 = 600°𝐶

𝑆5 = 𝑆6

𝑃5 = 4.0 𝑀𝑃𝑎

ℎ5 = 3674.9 𝐾𝐽

𝐾𝑔

Para determinar la eficiencia térmica es necesario saber las entalpias en todos los

estados.

Estado 1

𝑃1 = 10 𝐾𝑃𝑎 ℎ1 = ℎ𝑓@10𝐾𝑃𝑎 = 191.81 𝐾𝐽

𝐾𝑔

Liquido saturado. 𝑣1 = 𝑣𝑓@10 𝐾𝑃𝑎 = 0.00101 𝑚3

𝐾𝑔

Estado 2

𝑃2 = 15𝑀𝑃𝑎

𝑆2 = 𝑆1

𝑊𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎,𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑣1(𝑃2 − 𝑃1)

= (0.00101 𝑚3

𝐾𝑔) ∗ [(15000 − 10)𝐾𝑃𝑎]

1𝐾𝐽

1𝐾𝑃𝑎 ∗ 𝑚3

= 15.14 𝐾𝐽

𝐾𝑔

ℎ2 = ℎ1 + 𝑊𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = (191.81 + 15.14) 𝐾𝐽𝐾𝑔⁄ = 206.95

𝐾𝐽𝐾𝑔⁄

Estado 3:

𝑃3 = 15 𝑀𝑃𝑎 ℎ3 = 3583.1 𝐾𝐽

𝐾𝑔⁄

𝑇3 = 600°𝐶 𝑆3 = 6.6796 𝐾𝐽

𝐾𝑔 ∗ 𝐾⁄

Estado 4:

𝑃4 = 4 𝑀𝑃𝑎 ℎ4 = 3155.0 𝐾𝐽

𝐾𝑔⁄

𝑆4 = 𝑆3 (𝑇4 = 375.5 °𝐶)

Entonces:

𝑞𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = (ℎ3 − ℎ2) + (ℎ5 − ℎ4)

= (3583.1 − 206.95) 𝐾𝐽𝐾𝑔⁄ + (3674.9 − 3155.0)

𝐾𝐽𝐾𝑔⁄

= 3896.1 𝐾𝐽

𝐾𝑔⁄

𝑞𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = ℎ6 − ℎ1 = (2335.1 − 191.81)𝐾𝐽

𝐾𝑔⁄

= 2143.3 𝐾𝐽

𝐾𝑔⁄

𝜂𝑡𝑒𝑟 = 1 −𝑞𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

𝑞𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎= 1 −

2143.3 𝐾𝐽

𝐾𝑔⁄

3896.1 𝐾𝐽

𝐾𝑔⁄= 0.450 ⟶ 45.0 %

Ciclo de Rankine ideal regenerativo:

Se busca la manera de elevar la temperatura del líquido que sale de la bomba (agua

de alimentación), una posibilidad es transferir calor al agua de alimentación del

vapor de expansión en un intercambiador de calor a contra flujo integrado a la

turbina, lo cual se le conoce como regeneración.

Un proceso de regeneración se logra con la extracción del vapor de la turbina en

diversos puntos, este vapor se utiliza para calentar el agua de alimentación, el cual

se calienta mediante un regenerador o calentador de agua de alimentación, los

cuales pueden ser abiertos o cerrados.

Este proceso me ayuda a disminuir la corrosión en la caldera y a controlar el gran

flujo volumétrico del vapor en las etapas finales de la turbina.

Calentadores abiertos de agua de alimentación:

Una cámara de mezclado el vapor de la turbina se mezcla con el agua de

alimentación que sale de la bomba. La mezcla sale del calentador como liquido

saturado a la presión del calentador, el vapor entra a la turbina a la presión de la

caldera (estado 5) y se expande isentrópicamente hasta una presión intermedia

(estado 6). Se extrae un poco de vapor en este estado y se envía al calentador de

agua, el calor restante continua su expansión isentrópica hasta la presión del

condensador (estado 7). Este vapor sale del condensador como liquido saturado a

la presión del condensador (estado 1) y en ese momento se vuelve un ciclo de

Rankine ideal, a este proceso también se le conoce como ciclo regenerativo de una

sola etapa.

Balance de energía:

Calentadores cerrados de agua de alimentación:

En un calentador cerrado de agua de alimentación ideal el agua de alimentación, se

calienta hasta la temperatura de salida del vapor extraído, que idealmente sale del

calentador como liquido saturado a la presión de extracción.

Central eléctrica:

En las centrales eléctricas el agua de alimentación sale del calentador a una

temperatura menor que la de salida del vapor extraído, por lo que se requiere una

diferencia de temperatura de al menos unos 4 grados para conseguir cualquier

transferencia de calor efectiva.

EJERCICIO

Considere una planta de energía a vapor que opera con un ciclo de Rankine ideal

con Regeneración - Recalentamiento, con un calentador de agua abierto, un

calentador de agua cerrado, y un recalentador. El vapor ingresa a la turbina a 15

MPa y 600°C, y es condensado en el condensador a una presión de 10 kPa. Parte

del vapor es extraído de la turbina a 4 MPa para ser ingresado al calentador de

agua cerrado, y el vapor restante es recalentado a la misma presión hasta

alcanzar 600°C. El vapor extraído es completamente condensado en el calentador

en el calentador y es luego bombeado a 15 MPa antes de ser mezclado con el

agua de alimentación a la misma presión. El vapor requerido para el calentador

abierto es extraído desde la turbina de baja presión a un presión de 0.5 MPa.

Determine las fracciones de vapor extraídas de la turbina así como la eficiencia

térmica del ciclo.

ANALISIS DEL ARTÍCULO.

EVALUACIÓN TERMO-ECONÓMICA DE LOS CICLOS ORGÁNICOS RANKINE

PARA GENERACIÓN DE ENERGÍA GEOTÉRMICA USANDO MEZCLAS

AZEOTRÓPICAS

Una mezcla azeotrópica es un producto químico que no tiene la misma

composición en la fase de vapor y de la fase líquida en el estado de equilibrio

líquido-vapor. Las curvas de punto de rocío y del punto de burbuja no se tocan

entre sí a través de todo el rango de composición, con la excepción de los

componentes puros (los puntos finales de las curvas).

Esta mezcla puede hervir a una temperatura superior, intermedia o inferior a la de

los constituyentes de la mezcla, permaneciendo el líquido con la misma

composición inicial, al igual que el vapor, por lo que no es posible separarlos

por destilación simple.

El azeótropo que hierve a una temperatura máxima se llama azeótropo de

ebullición máxima y el que lo hace a una temperatura mínima se llama azeótropo

de ebullición mínima, los sistemas azeotrópicos de ebullición mínima son más

frecuentes que los de ebullición máxima.

Un ejemplo es la mezcla de etanol y agua,1 que forma un azeótropo para una

concentración del 96 % en peso de alcohol, que hierve a una temperatura de

78,2 °C. Con una destilación simple se obtiene un alcohol con esta concentración,

pero para conseguir un compuesto más puro se necesita utilizar recursos

especiales como una destilación azeotrópica.

Resumen:

Se presenta una evaluación termo-económica de las centrales basadas en el ciclo

orgánico de Rankine (ORC) para la generación de energía geotérmica. El objetivo

de este estudio es analizar el aumento de eficiencia mediante el uso de mezclas

azeotrópicas como flujo de trabajo y un mejoramiento en la potencia de los

componentes de la planta. El enfoque de optimización se compara con los

sistemas de medios puros. Se base en simuladores de procesos, equipos de

intercambio de calor y estimaciones de costos. Para temperaturas de fuente

térmica entre 100 y 180 ° C las mezclas azeotrópica seleccionadas conducen a un

aumento en la eficiencia de segunda ley de hasta 20,6% en comparación con

fluidos puros. Especialmente para temperaturas de aproximadamente 160 ° C, las

mezclas como el propano / isobutano, isobutano / isopentano, o R227ea / R245fa

muestran los costos más bajos de generación de electricidad en comparación con

el fluido puro más eficiente. En caso de una temperatura del fluido geotérmico de

120 ° C, R227ea y propano / isobutano son fluidos de trabajo rentables. Las

propiedades del fluido de mezclas azeotrópica, afectan principalmente la superficie

de intercambio de calor. Sin embargo, la influencia sobre el parámetro económico

determinado es marginal. En general, las mezclas azeotrópica son un enfoque

prometedor para mejorar la economía de los sistemas geotérmicos ORC. Además,

el uso de mezclas aumenta el espectro de fluidos de trabajo potenciales, lo cual es

importante en el contexto de los requisitos legales actuales y futuros considerando

refrigerantes fluorados.

BIBLIOGRAFIA

http://es.scribd.com/doc/23433823/ICONTEC-NTC-1486-SEXTA-

ACTUALIZACION-JULIO-2008-VERSION-ANAPLOZANO#scribd

https://www.youtube.com/watch?v=S3sf67nTijQ

http://www.uhu.es/gabriel.lopez/comun/pract_Rankine.pdf

http://www.fing.edu.uy/if/cursos/fister/modulos/ciclos/clases/Rankine.pdf

http://materias.fi.uba.ar/6517/Teoricas/Turbinas_a_Vapor/Ciclos%20a%20v

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Libro de Yunus Cengel, 7edicion

http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/21563306.2014.10879015#preview

http://solarenergyengineering.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articlei

d=1455088