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MAQUINAS TERMICAS: CICLO RANKINE

Definición: El ciclo Rankine es un ciclo termodinámico que opera con vapor, y es el que se utiliza en las centrales termoeléctricas. Tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un Ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor. Éste será llevado a una turbina donde produce energía cinética a costa de perder presión. Su camino continúa al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a estado líquido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente poder introducirlo a la caldera. Estos principios pueden aplicarse a los componentes individuales de una planta tales como Turbina, bombas, intercambiadores de calor, así como al conjunto de la central eléctrica por complicada que sea El fluido de trabajo sufre la siguiente serie de procesos internamente reversibles

Proceso Termodinámico: Proceso 1-2: expansión isentrópica del fluido de trabajo a través de la turbina desde vapor saturado en el estado 1 hasta la presión del condensador. Proceso 2-3: Transferencia de calor desde el fluido de trabajo cuando fluye a presión constante por el condensador, siendo líquido en el estado 3.

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Proceso 3-4: Compresión isentrópica en la bomba hasta el estado 4 dentro de la zona de líquido. Proceso 4-1: Transferencia de calor hacia el fluido de trabajo cuando circula a presión constante a través de la caldera, completándose el ciclo.

Los diagramas p-V en los que interviene un líquido que se vaporiza tienen una diferencia respecto a los de gas: aparece la llamada campana de cambio de fase. A la izquierda de la campana tenemos estado líquido, que apenas varía su volumen cuando se calienta o se aumenta su presión. Por eso las líneas isotermas son casi verticales. A la derecha de la campana tenemos vapor, que se comporta como un gas, por lo que las líneas isotermas son similares a las de los gases ideales. En el interior de la campana, el líquido se está evaporando, y las líneas de temperatura constante son horizontales. Ésto es debido a que dada una presión, el calor que se le aporte al fluído no se emplea en elevar la temperatura, sino en la evaporación.

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WILLIAM JOHN MACQURON RANKINE (1820 – 1872) Ingeniero y físico británico. Contribuyó a dar una orientación moderna a la técnica de las construcciones y a la ingeniería mecánica Nació el día 5 de julio de 1820 en una familia de Edimburgo. Sus padres fueron David Rankine, teniente del Ejército Británico, y Barbara Grahame. Rankine, debido a su mala salud, fue educado en su hogar, pero más tarde asistió a la Academia Ayr (1828-9) y, por un tiempo muy breve, a la Escuela Superior de Glasgow (1830). Alrededor de 1830 la familia se mudó a Edimburgo, donde en 1834 empezó a estudiar en la Academia Naval con el matemático George Lees. Por ese año ya era muy competente en matemáticas y recibió, como regalo de su tío los Principia de Newton (1687), en latín original. Rankine en 1836 comenzó a estudiar un amplio espectro de temas científicos en la Universidad de Edimburgo, incluyendo Historia Natural con Robert Jameson, y Filosofía Natural con James David Forbes. Estudiando con Forbes, fue galardonado con premios por los ensayos sobre métodos de investigación física y en la teoría ondulatoria (o de onda) de la luz. Durante las vacaciones, le ayudó a su padre que, a partir de 1830, fue gerente y, más tarde, eficaz tesorero e ingeniero de la Ferroviaria Edimburgo y Dalkeith, que llevó el carbón a la creciente ciudad. Salió de la Universidad de Edimburgo en 1838 sin un grado (hecho que entonces no era inusual) y, tal vez por la estrechez de las finanzas familiares, se convirtió en aprendiz de Sir John Benjamin MacNeill, quien era en ese momento inspector de la Comisión de Ferrocarriles de Irlanda. Durante su pupilaje desarrolló una técnica, más tarde conocida como el método de Rankine, para trazar las curvas del ferrocarril, aprovechando plenamente el teodolito y una mejora sustancial en la precisión y la productividad en los métodos existentes. De hecho, al mismo tiempo la técnica era usada por otros ingenieros - y en la década de 1860 hubo una controversia menor sobre la prioridad de Rankine. El año 1842 dio también marco al primer intento de Rankine de reducir los fenómenos de calor a una fórmula matemática, pero su propósito fue frustrado por su falta de los datos experimentales.

Aportes Cientificos: Sin desanimarse, volvió a su fascinación juvenil con la mecánica del motor térmico. Aunque su teoría de circulación de las corrientes de los vórtices elásticos cuyos volúmenes espontáneamente adaptados a su entorno sonó antojadiza para los científicos formados bajo un concepto moderno, en 1849, había logrado encontrar la relación entre la presión de vapor saturado y la temperatura. Al año siguiente, utilizó su teoría para establecer relaciones entre la temperatura, la presión y la

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densidad de gases, y las expresiones para el calor latente de evaporación de un líquido. Él predijo con precisión el sorprendente hecho de que el aparente calor específico del vapor saturado sería negativo. Alentados por su éxito, se dedicó a calcular el rendimiento o eficiencia de los motores térmicos y utilizó su teoría como base para deducir el principio, que la máxima eficiencia de un motor térmico es una función sólo de las dos temperaturas entre las que opera. Aunque un resultado similar ya había sido deducido por Rudolf Clausius y William Thomson, 1er barón Kelvin, Rankine alegó que su resultado descansaba sobre su hipótesis molecular de vórtices por sí solo, en lugar de a la teoría de Carnot o algunas otras hipótesis. El trabajo marcó el primer paso en el camino de Rankine para desarrollar una teoría más completa de calor. Rankine posteriormente refundó los resultados de su teorías moleculares en términos de una cuenta macroscópica de la energía y sus transformaciones. Él define y distingue entre la energía real que se pierde en los procesos dinámicos y la energía potencial por la que se reemplaza. Asumió que la suma de las dos energías es constante, una idea que ya era, aunque seguramente no por mucho tiempo, familiar en la ley de conservación de la energía. Desde 1854, se hizo amplio uso de su función termodinámica que más tarde se dio cuenta que era idéntica a la entropía de Clausius. En 1855, Rankine había formulado una ciencia de la energética que daba cuenta de una dinámica en términos de energía y sus transformaciones en lugar de fuerza y movimiento. La teoría fue muy influyente en la década de 1890. En 1859 propuso la escala de Rankine de temperatura, una escala absoluta o termodinámica, cuyo grado es igual a un grado Fahrenheit. La teoría energética de Rankine ofreció una alternativa, bastante más convencional, a su ciencia y, desde mediados de la década de 1850, hizo bastante menos uso de sus vórtices moleculares. Sin embargo, siguió insistiendo en que la obra de Maxwell sobre electromagnetismo fue efectivamente una extensión de su modelo. Y, en 1864, alegó que las teorías microscópicas de calor propuestas por Clausius y James Clerk Maxwell, sobre la base del movimiento lineal atómico, son insuficientes. Sólo en 1869 Rankine itió el éxito de estas teorías rivales. En ese momento, su propio modelo del átomo se había transformado casi idéntico al de Thomson. Se desempeñó como profesor regius de ingeniería civil y mecánica en la Universidad de Glasgow a partir de noviembre de 1855 hasta su muerte en diciembre de 1872, siguiendo la investigación en ingeniería a lo largo de una serie de líneas en dichas disciplinas. Rankine fue fundamental en la formación del 2º Cuerpo de Fusileros Voluntarios de Lanarkshire en la Universidad de Glasgow en julio de 1859, convirtiéndose en Mayor en 1860 después de formarse en la primera compañía del 2º Batallón del 1º Cuerpo de Fusileros Voluntarios de Lanarkshire, puesto que ocupó hasta 1864, cuando renunció debido a la presión de trabajo relacionado con la arquitectura naval.

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Definiciones Complementarias.Reducción de la presión del condensador (reducción de Tbaja,prom) El agua existe como un vapor húmedo 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 por lo tanto la temperatura a la cual el calor es rechazado. El efecto de la reducción de la presión del condensador en la eficiencia del ciclo Rankine se ilustra en un diagrama T~S en la figura. Con propósitos comparativos, el estado a la entrada de la turbina se mantiene igual. El área sombreada en este diagrama representa el aumento en la salida neta de trabajo debido a la disminución de la presión del condensador desde t1 hasta P'4 Los requerimientos de entrada de calor también aumentan (representados por el área bajo la curva 2'-2), pero este incremento es muy pequeño- Por lo tanto el efecto total de reducir la presión del condensador es un aumento en la eficiencia térmica del ciclo. Para aprovechar el aumento de eficiencia a bajas presiones, los condensadores de las centrales eléctricas de vapor suelen operar muy por debajo dé la presión atmosférica.

Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas (incremento Talta,prom) La temperatura promedio a la que el calor es transferido hacia el vapor puede ser incrementada sin aumentar la presión de la caldera, gracias al sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas. El efecto del sobrecalentamiento en el desempeño de los ciclos de potencia de vapor se ilustra en un diagrama T-s en la figura. El área sombreada en este diagrama représenla el aumento en el trabajo neto, mientras que el área total bajo la curva de proceso 3-3' representa el aumentó en la entrada de calor. De este modo, tanto el trabajo neto como la entrada de calor aumentan como resultado del sobrecalentamiento del vapor a una temperatura más alta. Sin embargo, el efecto total es un incremento en la eficiencia térmica porque aumenta la temperatura promedio a la cual se añade calor.

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Incremento de la presión de la caldera (incrementode Talta,prom) Otra manera de incrementar la temperatura promedio durante el proceso de adición de calor es aumentar la presión de operación de la caldera, lo cual eleva automáticamente la temperatura a la que sucede la ebullición. Esto a su vez eleva la temperatura promedio a la cual se transfiere calor al vapor y de ese modo incrementa la eficiencia térmica del ciclo. El efecto de aumentar la presión de la caldera en el desempeño de los ciclos de potencia de vapor se ilustra en un diagrama T-s en la figura. Los efectos de reducir la presión del condensador, sobrecalentar a una temperatura más elevada e incrementar la presión de la caldera en la eficiencia térmica del ciclo Rankine se ilustran a continuación con un ejemplo. EJEMPL0 Efecto de la presión y la temperatura de la caldera sobre la eficiencia Considere una central eléctrica de vapor que opera con el ciclo Rankine ideal. El vapor entra a la turbina a 3 MPa y 350ºC y se condensa en el condensador a una presión de 10 kPa. Determine a) la eficiencia térmica de esta central eléctrica, b) la eficiencia térmica si el vapor se sobrecalienta a 600°C en lugar de 350°C, c) la eficiencia térmica si la presión de la caldera se eleva a 15 MPa mientras la temperatura de entrada de la turbina se mantiene en 600°C. Análisis: Los diagramas T-s del ciclo para los tres casos se presentan en la figura. a) Ésta es la central eléctrica de vapor analizada en e! ejemplo 10-1, excepto que la presión del condensador se ha reducido a 10 kPa. La eficiencia térmica se determina de manera similar:

Estado 1:

Estado 2:

P1=10kPa

h1=hf @ 10 kPa=191.81 kJ/kg

Liquido saturado

v1=vf

@ 10 kPa

=0.00101 m3/kg

P2=3MPa s2=s1

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Estado 3:

Estado 4:

P3=3MPa

h3=3116.1 kJ/kg

T3=350ºC

s3=6.7450 kJ/kg.K

P4=10kPa

(mezcla saturada)

s4=s3

Por lo tanto,

En consecuencia, la eficiencia térmica aumenta de 26.0 a 33.4 por ciento como resultado de disminuir la presión del condensador de 75 a 10 kPa. Sin embargo, al mismo tiempo la cantidad del vapor disminuye de 88,6% a 81.3% (en otras palabras, el contenido de humedad aumenta de a 18.7 %). b) Los estados 1 y 2 permanecen iguales en este caso, mientras las entalpias en el estado 3 (3 MPa y 600ºC) y en el estado 4 (10 kPa y s4 = s3) se determinan como

h3=3682.8 kJ/kg h4=2380.3 kJ/kg

De modo que,

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Por lo tanto, la eficiencia térmica aumenta de 33.4% a 37.3% como resultado de sobrecalentar el vapor de 350 a 600°C. Al mismo tiempo, la calidad del vapor aumenta de 81.3% a 91.5% {en otras palabras, el contenido de humedad desciende de 137% a 35%). c) El estado 1 permanece igual en este caso, aunque ios otros estados cambien. Las entalpias en los estados 2 115 MPa y s 2=s1, 3 (15 MPa y 600°C) y 4 (10 kPa y s4=s3 se determinan de manera similar como:

h2=206.95 kJ/kg h3=3583.1 kJ/kg h4=2115.3 kJ/kg

(X4=0.804)

Por lo tanto

Comentario La eficiencia térmica aumenta de 37.3% a 43.0% como consecuencia de elevar la presión de la caldera de 3 a 15 MPa mientras se mantiene en 600ºC la temperatura a la entrada de la turbina. Sin embargo, al mismo tiempo la calidad del vapor disminuye de 91.5% a 80.4% (en otras palabras, el contenido de humedad aumenta de 8.5% a 19.6%).

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CLASIFICACION DEL CICLO RANKINE.EL CICLO RANKINE IDEAL CON RECALENTAMIENTO En la última sección se mencionó que el aumento en la presión de la caldera incrementa la eficiencia térmica del ciclo Rankine, pero que también incrementa el contenido de humedad del vapor a niveles inaceptables. Entonces, es natural formular la siguiente pregunta: ¿Cómo podemos aprovechar las mayores Eficiencias a presiones más altas de la caldera sin tener que enfrentar el problema de humedad excesiva en las etapas (finales de la turbina? Se puede pensar en dos posibilidades: 1. Sobrecalentar el vapor a temperaturas muy altas antes de que entre a la turbina. Ésta sería !a solución deseable porque la temperatura promedio a la que se añade calor también se incrementaría, lo cual aumentaría la eficiencia del ciclo. Sin embargo, no es una solución viable ya que requiere elevar la temperatura del vapor hasta niveles metalúrgicamente inseguros. 2. Expandir el vapor en la turbina en dos etapas y recalentarlo entre ellas. En otras palabras, modificar el ciclo Rankine ideal simple con un proceso de recalentamiento. El recalentamiento es una solución práctica al problema de humedad excesiva en turbinas y es comúnmente utilizada en modernas centrales eléctricas de vapor. El diagrama T-s del ciclo Rankine ideal con recalentamiento y el esquema de la central eléctrica que opera en este ciclo se muestran en la figura El ciclo Rankine ideal con recalentamiento difiere del ciclo Rankine ideal simple en que el proceso de expansión sucede en dos etapas. En la primera (la turbina de alta presión), el vapor se expande isentrópicamente hasta una presión intermedia y regresa a la caldera donde se recalienta a presión constante, por lo general hasta la temperatura de entrada de la turbina de la primera etapa. Después, el vapor se expande isentrópicamente en la segunda etapa (turbina de baja presión) hasta la presión del condensador.

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EL CICLO RANKINE IDEAL REGENERATIVO Un examen cuidadoso del diagrama T-s del ciclo Rankine dibujado en la figura 10-14 revela que el calor se transfiere al fluido de trabajo durante el proceso 2-2' a una temperatura relativamente baja, esto reduce la temperatura promedio a la que se añade el calor y por consiguiente la eficiencia del ciclo.

Para remediar esta deficiencia, busquemos la manera de elevar la temperatura del líquido que sale de la bomba (llamado agua de alimentación) antes de que entre a la caldera. Una posibilidad es transferir calor al agua de alimentación del vapor de expansión en un

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intercambiador de calor a contraflujo integrado a la turbina, esto es. Utilizar regeneración. Sin embargo, esta solución es impráctica debido a que es difícil diseñar tal intercambiador de calor porque

incrementaría el contenido de humedad del vapor en las etapas finales de la turbina. Un proceso de regeneración práctico en las centrales eléctricas de vapor se logra con la extracción o "drenado" o "purga" del vapor de la turbina en diversos puntos. Este vapor, que podría producir más trabajo si se expandiera aún más en la turbina, se utiliza en cambio para calentar el agua de alimentación. El dispositivo donde el agua de alimentación se calienta mediante regeneración se llama regenerador o calentador de agua de alimentación (CAA). La regeneración no sólo mejora la eficiencia del ciclo, también proporciona un medio conveniente de desairar el agua de alimentación (al eliminar el aire que se filtra al condensador) para evitar la corrosión en la caldera. Asimismo, ayuda a controlar el gran flujo volumétrico del vapor en las etapas finales de la turbina (debido a los grandes volúmenes específicos a bajas presiones). Por consiguiente, la regeneración se utiliza en todas las centrales eléctricas de vapor modernas desde su introducción a principios de la década de los años veinte. Un calentador del agua de alimentación es un intercambiador de calor donde éste se La primera, parte del proceso de adición de calor en la caldera sucede a temperaturas relativamente bajas. transfiere del vapor al agua de alimentación mediante la mezcla de ambos flujos de fluido (calentadores de agua de alimentación abiertos) o sin mezclarlos (calentadores de agua de alimentación cenados). La regeneración con ambos tipos de calentadores de agua de alimentación se estudia a continuación. Calentadores abiertos de agua de alimentación Un calentador abierto de agua de alimentación (o de o directo) es básicamente una cámara de mezclado en la que el vapor extraído de la turbina se mezcla con el agua de alimentación que sale de la bomba. Idealmente, la mezcla sale del calentador como líquido saturado a la presión del calentador. El esquema de la central eléctrica de vapor con un calentador abierto de agua de alimentación (denominado también ciclo regenerativo de una sola etapa) y el diagrama T-s del ciclo se muestran en la figura 1015. En un ciclo Rankine ideal regenerativo. El vapor entra a la turbina a la presión de la caldera (estado 5) y se expande isentropicamente hasta una presión intermedia (estado 6). Se extrae un poco de vapor en este estado y se envía al calentador de agua de alimentación, mientras el vapor restante continúa su expansión isentropica hasta la presión del condensador estado 7). Este vapor sale del condensador como líquido saturado a la presión del condensador (estado 1). El agua condensada, que también es llamada agua de alimentación. Entra después a una bomba isentropica. Donde se comprime hasta la presión del calentador del agua de alimentación (estado 2) y se envía al calentador de agua de alimentación, donde se mezcla con el vapor extraído de la turbina. La fracción del vapor extraído es tal que la mezcla sale del calentador como líquido saturado a la presión del calentador (estado 3), Una segunda bomba eleva la presión del agua hasta la presión de la caldera (estado 4), El ciclo se completa con el calentamiento del agua en la caldera hasta el estado de entrada de la turbina (estado 5). Al analizar centrales eléctricas de vapor es más conveniente trabajar con cantidades expresadas por unidad de masa del vapor que circula por la caldera. Porcada 1 kg de vapor que sale de la caldera, y kg se expanden de manera parcial en la turbina y se extraen en el estado 6. El resto (1 — y) kg se expande por completo hasta la presión del condensador. Por consiguiente, los flujos másicos son diferentes en distintos componentes. Por ejemplo, así el flujo músico a través de la caldera es, será de (I — 1 7

y)Kg a través del condensador. Este aspecto del ciclo Rankine degenerativo debe considerarse en el análisis del ciclo así como en la interpretación de las áreas en el diagrama T-s De acuerdo con la. Figura 10-15, el calor y las interacciones de trabajo de un ciclo Rankine regenerativo con un calentador de agua de alimentación pueden expresarse por unidad de masa de vapor que fluye a través de la caldera como:

Ciclo Rankine ideal regenerativo con un calentador abierto de agua de alimentación. La eficiencia térmica del ciclo Rankine aumenta como resultado de la regeneración. Esto se debe a que la regeneración eleva la temperatura promedio a la que el calor se transfiere al vapor en la caldera aumentando la temperatura del agua antes de que entre a la caldera. La eficiencia del ciclo se incrementa aun más cuando aumenta el número de calentadores de agua dé alimentación. Muchas grandes centrales que operan en la actualidad utilizan hasta ocho calentadores de agua de alimentación; el número óptimo se determina con base en consideraciones económicas. El uso de un calentador de agua de alimentación adicional no puede ser justificado a menos que ahorre más en relación con los costos del combustible que se gastó en su propio costo.

q entrada=h3 - h4 q salida = (1-y)(h7 - h1) w turbina de salida = (h5 - h6) + (1 - y)(h6 - h7) w bomba entrada = (1 - y)w bomba1 entrada + w bomba11 entrada

Donde: y = ṁs/ṁs

(fracción de vapor extraído)

wbomba1 entrada = v1(P2 - P1)

wbomba1I entrada = v3(P4 – P3)

Formulas de aplicación para el ciclo Rankine Regenerativo: Calentadores cerrados de agua de alimentación Otro tipo de calentador de agua de alimentación frecuentemente utilizado en las centrales eléctricas de vapor es el calentador cerrado de agua de alimentación, en el cual el calor se transfiere del vapor extraído hacia el agua de alimentación sin que suceda ninguna mezcla. Los dos flujos pueden estar a presiones diferentes, puesto que no se mezclan. El esquema de la central eléctrica de vapor con un calentador cerrado de agua de alimentación y el diagrama T-s del ciclo se muestran en la figura 10-16. 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. En las centrales eléctricas reales, el agua de alimentación sale del calentador a una temperatura, menor que la de salida del vapor extraído porque se requiere una diferencia de temperatura De al menos unos cuantos grados para conseguir cualquier transferencia de calor efectiva. Después, el vapor condensado se bombea a la línea del agua de alimentación o se envía a otro calentador o al condensador mediante un dispositivo llamado trampa, el cual permite que el líquido sea estrangulado hasta una región de presión inferior, pero atrapa el vapor. La entalpia del vapor permanece constante durante este proceso de estrangulación.

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El ciclo Rankine ideal regenerativo con un calentador cerrado de agua de alimentación.

El ciclo Rankine ideal regenerativo con un calentador cerrado de agua de alimentación.

Los calentadores abiertos y cerrados de agua de alimentación pueden ser comparados de la siguiente manera, Los abiertos son simples y económicos y tienen buenas características para la transferencia de calor. También llevan al agua de alimentación al estado de salutación. Sin embargo, cada calentador requiere una bomba para manejar el agua de alimentación. Por su parte, los cerrados son más complejos debido a la red de tuberías internas, de manera que resultan más caros. La transferencia de calor en los calentadores cerrados de agua de alimentación es menos efectiva porque no se permite que los dos flujos entren en o directo. No obstante, los calentadores cerrada; de agua de alimentación no requieren una bomba independiente para cada calentador, ya que el vapor extraído y el agua de alimentación pueden estar a presiones diferentes. La mayor parte de las centrales eléctricas de vapor utilizan una combinación de calentadores abiertos y cerrados, como se muestra en la figura 10-17.

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El ciclo Rankine ideal regenerativo con un calentador cerrado de agua de alimentación. EJEMPLO 10-5 El ciclo Rankine ideal regenerativo Considere una central eléctrica de vapor que opera en un cicló Rankine ideal regenerativo con un calentador abierto de agua de alimentación. El vapor entra a la turbina a 15 MPa y 600aC. Y se condensa en el condensador a una presión de 10 kPa. Una parte de vapor sale de la turbina a una presión de 1.2 MPa y entra al calentador abierto de agua de alimentación. Determine la fracción de vapor extraído de la turbina y la eficiencia térmica del ciclo. Estado 1 p1 = 10kPa Liquido saturado Estado 2

h1=hf(10kPa)=191.81kJ/kg v1=vf (10kPa)=0.00101m3/kg

p2 = 1.2MPa s2=s1

Wbomba 1 entrada = v2 (p2 - p1) = (0.00101m3/kg)((1200-10)kPa) = 1.20kJ/kg h2 = h1 + Wbomba1 entrada = (191.81 + 1.20)kJ/kg= 193.01kJ/kg

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Estado 3: p3 = 1.2 Mpa m3/kg Liquido saturado

v3 = vf(1.2MPa) = 0.001138 h3= hf(1.2MPa) = 798.33 kJ/kg

Estado 4: p4= 15MPa s4= s3 Bomba1I de entrada = (0.00138m3/kg)(l5000-1200)kPa = 15.70 kJ/kg h4 = h3 + Bomba 1I de entrada =(798.33+15.70)kJ/kg= 814.03kJ/kg

Estado 5: p5 = 15 MPa T5 =600°C Estado 6: p6 = 1.2MPa s6 = s7

h5

= 3583.1 kJ/kg s5 = 6.6796 kJ/kg-K

h6 = 2860.2kJ/kg (T6 = 218.4°C)

Estado 7: p7 = 10kPa s7 = s5 x7 = (s7 - sf )/sf g = (6.6796 0.6492)/7.4996 = 0.8041 h7= hf + x7 hfg = 191.81 + 0.8041 (2392.1) =

CICLOS DE POTENCIA COMBINADOS DE GAS Y VAPOR

La continua búsqueda de eficiencias térmicas más altas ha originado modificaciones

innovadoras en las centrales eléctricas convencionales. El ciclo de vapor binario que se analiza posteriormente es una de esas modificaciones. Otra modificación aún más extendida incluye un ciclo de potencia de gas que remata a un ciclo de potencia de vapor, esto se denomina ciclo combinado de gas y vapor, o sólo ciclo combinado. El ciclo combinado que más interesa es el ciclo de turbina de gas (Brayton), el cual remata al ciclo de turbina de vapor (Rankine), y que tiene una eficiencia térmica más alta que cualquiera de los ciclos ejecutados individualmente. Los ciclos característicos de turbina de gas operan a temperaturas considerablemente más altas que los ciclos de vapor. La temperatura máxima del fluido a la entrada de la turbina está cerca de los 620°C (1 150°F) en las centrales eléctricas de vapor modernas, pero son superiores a los

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1 425°C (2 600°F) en las centrales eléctricas de turbina de gas. Su valor es superior a 1 500°C en la salida del quemador en los turborreactores. El uso de temperaturas más elevadas en las turbinas de gas ha sido posible gracias a los recientes desarrollos en el enfriamiento de los alabes de la turbina y en el revestimiento de éstos con materiales resistentes a las altas temperaturas, como cerámicas. Debido a la temperatura promedio más alta a la cual se suministra el calor, los ciclos de turbina de gas tienen un potencial mayor para eficiencias térmicas más elevadas. Sin embargo, los ciclos de turbina de gas tienen una desventaja inherente: el gas sale de la turbina a temperaturas muy altas (por lo general arriba de 500°C), lo que cancela cualquier ganancia potencial en la eficiencia térmica. Esto se puede mejorar un poco utilizando la regeneración, pero la mejoría será limitada. Desde el punto de vista de la ingeniería, es conveniente aprovechar las características deseables del ciclo de turbina de gas a altas temperaturas y utilizar los gases de escape de alta temperatura como fuente de energía en un ciclo en un intervalo de temperaturas menores, como un ciclo de potencia de vapor. El resultado es un ciclo combinado de gas y vapor, como se muestra en la figura 10-24. En este ciclo, la energía se recupera de los gases de escape y se transfiere al vapor en un intercambiador de calor que sirve como caldera. Generalmente más de una turbina de gas se necesita para suministrar suficiente calor al vapor. Además, el ciclo de vapor pudiera implicar regeneración, así como recalentamiento. La energía para el proceso de recalentamiento puede ser suministrada quemando algún combustible adicional en los gases de escape ricos en oxígeno. Los recientes desarrollos tecnológicos para las turbinas de gas han logrado que el ciclo combinado de gas y vapor resulte muy atractivo desde el punto de vista económico, ya que el ciclo combinado aumenta la eficiencia sin incrementar mucho el costo inicial. Así, muchas centrales eléctricas nuevas operan en ciclos combinados, y muchas centrales de vapor o de turbina de gas existentes se están convirtiendo en centrales de ciclo combinado. Como resultado de esta conversión, se han reportado eficiencias térmicas muy por encima de 40 por ciento.

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CENTRALES TERMICAS

Central generadora. La Central consiste en una unidad turbogeneradora a vapor, compuesta por una turbina de dos cilindros en tándem, de tres etapas, con doble exhosto al condensador y seis extracciones; que opera con vapor a 127 kg/cm² y 538°C con una capacidad de 163 000 Kw; un generador de 204 400 kVA, totalmente cerrado, enfriado por hidrógeno y factor de potencia 0.85. Está provista de una caldera colgante, de un tambor, radiante, con recirculación y circulación natural la cual utiliza carbón pulverizado, produce 495 toneladas/hora de vapor a 538°C y 127 kg/cm²; tiene precipitadores electrostáticos y altura de chimenea de 90 metros para protección del medio ambiente. La unidad tiene un consumo térmico específico garantizado de 2.410 kcal/kWh y una eficiencia neta de 35,7%.

Características de la Central. Capacidad bruta: Capacidad Neta:

163.000 kW 153.000 kW

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Carbón (principal) Fuel-Oil y AM (auxiliares) Eficiencia neta: 35,7% Consumo específico térmico neto: 2.410 kcal/kWh Tipo de Combustible:

Características de la caldera. Combustión Engineering, un tambor, radiante, Circulación natural. Recalentamiento., Intemperie

Tipo:

Generación de vapor: 495 t/h (MCR) Presión de diseño: 152,57 kg/cm2 Temperatura de vapor: 541 °C (sobrecalentado) Sistema de tiro: Balanceado Fabricante: Distrital S.A. Características de la turbina a vapor. Dos cilindros en tándem. 3 etapas, Tipo: doble exhosto al condensador Capacidad de generación: 163.000 kW 127 kg/cm2(sobrecalentado) Presión de vapor: 30 kg/cm² (recalentado) 541 °C (sobrecalentado) 538 °C (sobrecalentado) Temperatura de vapor: 538 °C (recalentado) Velocidad: 3.600 rpm Presión de exhosto: 63,5 mm Hg a 40°C Extracciones de vapor: 6 Fabricante: Mitsubishi Heavy Industries Características del generador. Totalmente cerrado, enfriado por hidrógeno, Tipo: 3 fases A.C Capacidad: 204.400 MVA Voltaje en Bornes: 20 kV. Frecuencia: 60 Hz. Factor de potencia: 0,85 Temperatura de vapor: 538 °C (sobrecalentado) Fabricante: Mitsubishi Electric Co.

Las características del transformador principal son las siguientes: Tipo:

Intemperie Flujo aceite forzado Enfriamiento: ONAN/ONAF/OFAF

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Capacidad: 43/54/67 MVA 20 kV (primario) Voltaje: 245/%3 kV (secundario) Fabricante: Mitsubishi Electric Co. Clases de energía En el proceso general de la Central Termoeléctrica se desarrollan cuatro clases de energía: • Energía Química: Se desarrolla en la caldera a partir de la reacción exotérmica del oxígeno presente en el aire y el combustible. • Energía Térmica: El calor producido en la caldera es absorbido por el agua, transformándola en vapor de alto contenido entálpico. • Energía Mecánica: Se desarrolla a partir de la energía térmica, que entrega vapor para mover, a velocidad constante, la turbina. • Energía Eléctrica: Por medio del generador la energía mecánica se transforma en energía eléctrica, la cual es transmitida a los centros de consumo. Combustible El Carbón es el combustible primario de la Central. Su consumo anual varía dependiendo de la disponibilidad de energía hidráulica y de la demanda general dentro del área de servicio. La Central utiliza carbón bituminoso pulverizado, el cual es almacenado en un área de 2,84 hectáreas, donde se alcanza a mantener una cantidad suficiente que permite su operación a máxima carga por un período de 60 días. El carbón es suministrado desde pequeñas y medianas minas (75 minas aproximadamente), localizadas en un radio de 40 Km. de la Central y transportado hasta ella en volquetas. La calidad del carbón de Norte de Santander está catalogada como superior al promedio, con bajos niveles de ceniza y azufre. El principal consumidor local es la Central. Combustibles líquidos. En Termotasajero se utilizan para el encendido inicial de la caldera, principalmente, fuel-oil y AM que son transportados a la Central en carros cisterna y almacenados en tanques. Planta de Hidrógeno El hidrógeno necesario para enfriar el generador se produce en la Central. La planta de hidrógeno está diseñada para producir 3Nm³/h de hidrógeno con una pureza mayor al 99.8% y está dividida en dos partes: una para producción y otra para compresión y llenado de botellas. El hidrógeno se produce mediante un generador de tipo electrolítico y se almacena, a baja presión, en un tanque de 6 m³ (volumen de agua); compresores de tipo diafragma succionan el hidrógeno de este tanque y elevan su presión a 200 kg/cm²g. De la descarga de estos compresores se pueden llenar directamente los cilindros convencionales de 46.7 litros (volumen de agua) mediante dos cabezales de llenado donde se pueden cargar a la vez hasta 10 cilindros. Termo palenque

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En la actualidad la Central de Termo palenque cuenta con 15 Mw instalados para una potencia efectiva de 13 Mw en su unidad No 3, la cual entró en operación en 1971 y está funcionando en optimas condiciones, su combustible es gas natural, su velocidad 3600 rpm, de un solo eje y su el ciclo de trabajo es abierto. El último mantenimiento mayor fue realizado en diciembre de 1997. En eventos requeridos por el fenómeno cálido del pacífico o de mayor exigencia ha generado 71 Gwh (1992) y 28 Gwh (1998). Termo Yopal

Fueron trasladadas las unidades 4 y 5 de generación de la planta de Termo barranca (50 MW) a Termo Yopal, con el fin de aprovechar el gas a boca de pozo, garantizando un ahorro en el costo del transporte del gas, de manera que permita que las plantas sean despachadas por mérito dentro del Sistema Interconectado Nacional. Se proyecta incluir dos (2) nuevas unidades de 20 MW.

UNIDADES 1 Y 2 Cada una de estas unidades térmicas a vapor consta de: caldera, turbina, generador, condensador de vapor y equipos auxiliares. La caldera es un diseño de la Combustión Engineering, tiene una capacidad de producción de 140.000 libras/hora (63 ton/h) de vapor sobrecalentado a 900 °F (482 °C) y 875 psi (61.5 kg./cm2), mediante la combustión de gas natural y/o Fuel oíl (combustóleo N° 6) a través de cuatro quemadores de disposición frontal y los gases de combustión son expulsados por una chimenea de 25 metros de altura.

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La turbina es un diseño de DE LAVAL TURBINE INC., de 17 etapas, impulsada por vapor seco proveniente de la caldera a 60 kg. / cm2 y 482 °C. La turbina está acoplada a un generador de 12.500 kw/h, refrigerado por aire. El generador opera a un voltaje nominal de 13.800 voltios, una velocidad de 3.600 r.p.m., frecuencia de 60 Hertz y 654 amperios. El aislamiento es clase B. Para acoplar el generador a la red se hace a través de un transformador ALLIS CHALMERS, con capacidad de 13.44 / 17.92 MVA, tensión de 13.800 / 34.500 voltios y conexión Yd1. El condensador de vapor es de tipo horizontal de dos pasos, 2.500 tubos y una superficie de transferencia de calor de 10.300 pies cuadrados, refrigerado con agua del Río Magdalena brazo Galán, para lo cual se utilizan bombas verticales que suministran un flujo cada una de 2.760 metros cúbicos por hora.

UNIDAD 3 Esta unidad al igual que las dos anteriores consta de los mismos elementos pero de mayor dimensión. La caldera es diseño de la Combustión Engineering, montada por Distral. Su capacidad de producción de vapor es de 287 toneladas por hora de vapor sobrecalentado a 515 °C y 92 kg./ cm2 mediante la combustión de Gas Natural, Fuel Oíl y/o AM, a través de seis quemadores de disposición frontal y los gases de combustión son expulsados a la atmósfera por una chimenea de 50 metros de alto. El turbo grupo está formado por una turbina marca ALSTHOM RATEAU de 16 etapas, movida por vapor seco a 510 °C y presión de 90 kg. / cm2, la cual esta acoplada a un generador WESTINGHOUSE de 66.000 kw/h., refrigerado con hidrógeno a una presión de 2.11 kg. / cm2. El generador opera a unas condiciones nominales de: velocidad = 3600 r.p.m., frecuencia = 60 Hertz, voltaje = 13.800 voltios, y corriente = 3248 amperios. Aislamiento clase B. El acoplamiento del generador a la red se hace a través de un transformador marca WESTINGHOUSE, 78.000 kVA, 13.800 / 230.000 kv. y conexión Yd11. El condensador de vapor es de dos cuerpos, tipo horizontal, dos pasos, 8650 tubos, una superficie de intercambio de vapor de 4.610 metros cuadrados y es refrigerado al igual que las unidades 1 y 2, con agua del río Magdalena, utilizando bombas verticales de 6.000 metros cúbicos hora cada una. Para operación a plena carga se utilizan dos bombas al mismo tiempo o sea un flujo de 12.000 metros cúbicos hora.

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UNIDADES 4 Y 5 Este tipo de unidades son conocidas como turbogas y constan básicamente de: un motor diesel de arranque, un compresor axial, una cámara de combustión, una turbina y un generador. En las turbinas a gas la combustión y el escape se producen a presión constante y la compresión y expansión ocurren continuamente y se le conoce como ciclo Brayton o ciclo de presión constante, en lugar de intermitente como ocurre en el ciclo diesel. Las unidades 4 y 5 son GENERAL ELECTRIC, de 32.000 y 22.000 kw/h respectivamente. Los generadores operan a una velocidad de 3.600 r.p.m. frecuencia de 60 Hertz y un voltaje de 13.800 voltios. Los compresores de estas unidades son de 17 etapas cada uno, tipo flujo axial y operan a 5.100 r.p.m. La turbina de la unidad N 4 tiene tres etapas y la de la unidad N 5 dos etapas, y operan igual que el compresor a 5.100 r.p.m. En la turbina es donde los gases a altas temperaturas provenientes de la sección de combustión son convertidos en caballos de fuerza sobre el eje para mover el generador. Estos productos de la combustión que pasan a travsé de la turbina se descargan en el conducto de escape, de donde se dispersan y son expulsados por una chimenea de 10 metros hacia la atmósfera. Termo flores S.A E.S.P., propiedad 100% de Colinversiones, es una empresa generadora de energía, con sede en Barranquilla. Inició operaciones en 1993, luego de presentarse la crisis energética de los años 1991 y 1992, como producto de la temporada de sequía. Cuenta actualmente con una capacidad de 441 MW térmicos a gas y está compuesta por tres unidades de generación: 1. Flores I: con una potencia de 160 MW, en ciclo combinado, puesta en servicio en 1993. 2. Flores II: con una potencia de 112 MW, en ciclo simple, puesta en servicio en 1996. 3. Flores III: con una potencia de 169 MW, en ciclo simple, puesta en servicio en 1998. Estas dos últimas unidades comercializan toda su potencia y generación en el mercado de energía mayorista, creado en 1995. Flores I y II, además de gas, también pueden utilizar fuel oil #2 como combustible alterno.

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