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Tecnología Energética (13012023)
Universidad de Jaén
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Departamento de Ingeniería Mecánica y Minera Área de Maquinas y Motores Térmicos
Nabih Khanafer Bassam 1
IV.- CENTRALES TÉRMICAS
Departamento de Ingeniería Mecánica y Minera Área de Maquinas y Motores Térmicos
Nabih Khanafer Bassam 2
4.- Modificaciones de Ciclos en máquinas Térmicas
T
P 1 ( Caldera )
P 2 ( Condensador )
S
Vamos a estudiar las máquinas que actúan con vapores condensados, especialmente los ciclos de vapor de agua.
El ciclo de Carnot es el más sencillo, a partir de el, previas sucesivas modificaciones, se llegará a ciclos más sofisticados.
H
S
Qabs= h 1 - h 4
3
TS 1
TS 12
4 1
5 6
1
2
3
4
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Whexpturbina=− 12 h
Whcompbomba =− 43 h
El trabajo neto del ciclo :
WW W hhhh
Qhh h h
neto
ciclo turbina comp = − =−−−=bomba
∑ =−−−
exp ()() ()()
12 4 3
14 2 3
El rendimiento térmico del ciclo :
ηtciclo neto
ciclo
abs
s s
W
Q
hh h h hh
T
T
==
−−−
−
=−
()()
()
14 2 3 14
2 1
1
Este ciclo presenta varios inconvenientes por lo que no lo utilizaremos :
a) El proceso de expansión en la turbina pasa de un vapor saturado a un vapor húmedo, con lo que el título cada vez es menor ; la energía cinética de las moléculas aumenta, esto implica un gran desgaste en los alabes de la turbina ( alto efecto corrosivo), se recomienda un título mayor que el 85 %, para evitar el efecto anterior.
Este defecto se puede intentar subsanar con :
I.- Bajar la presión de la caldera : ⇒ Aumenta el título ( menor corrosión ) ⇒ Disminuye la temperatura de saturación en la caldera con lo que baja el Rendimiento del ciclo
No compensa
II.- Bajar la presión del condensador manteniendo la presión del la caldera :
⇒ Mayor diferencia entre líquido y vapor ⇒ título más bajo ( mayor corrosión ) ⇒ Aumentamos el rendimiento térmico del ciclo
b) Cuando el vapor de agua sale del condensador, hay que tener un determinado título, que ha de coincidir con el marcado en el punto 3, pero esto no se puede conseguir.
c) En la compresión, la bomba trabaja en vapores húmedos ; esto no es conveniente, ya que es mejor que estas trabajen en la zona líquida ( son más estables).
Por tanto, se tiende a modificaciones de este ciclo, dando lugar a los llamados : Ciclos de Rankine. ( intentan mejorar el ciclo).
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4.1.- Ciclo de Rankine simple
T
P 1 ( Caldera )
P 2 ( Condensador )
S
En el proceso ( 4 - 5 ) : se utiliza un precalentador, debido a que las condiciones del punto 4 se trata de un líquido subenfriado.
Esto subsana el problema del Condensador ( se consiguen las condiciones del título del punto 3 ) y el de la Bomba ( que ahora trabaja en la zona líquida ).
De momento y para los cálculos, consideraremos los ciclos reversibles. h vapor saturado h vapor humedo
1 2
→ →
h 4 →difícil de determinar ( zona de líquido subenfriado ) → grandes errores.
Como los puntos 3 y 4 corresponden a zona líquida, y el volumen específico en los líquidos prácticamente permanece invariable ( los líquidos son incompresibles ), podemos hacer la siguiente aproximación : h
S
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T 1 m= temperatura media de la cesión de calor = cte. Ts
ηtermicoR m m
s m
T
T
T
T
=− =− 111
2
2 2
,
T
hh SS 2 m 14 ya que S S S S 13
= 3412
−
−
==;
T 2 m< Tsat 1 ⇒ ηtR< ηtCarnot aunque el ciclo de Rankine también es reversible.
El Rendimiento térmico ηt disminuye, pero, al menos, se puede utilizar. Así pués cualquier mejora de este ciclo va a consistir en aumentar este rendimiento.
¿ Que modificaciones se pueden hacer para aumentar el ηt sin modificar el ciclo?
1ª Disminuir la temperatura de saturación Tsat,2 ( Proceso 1, 2”,3”,4”,5,1 )
El volumen específico es distinto, con lo que se modifica el WcompBomba → ↑ Wexpturbina→ ηt
pero a la salida de la turbina → Disminuye el título ↓ X → Problemas de corrosión.
2ª Aumentar T 2 m ( Proceso 1’, 2’,3,4’,5’,1’)
La presión en la caldera P1, ha aumentado, con lo que T 2 maumenta, pero con el límite de no sobrepasar el punto crítico de la curva de equilibrio. Pero también disminuye el título, con lo que siguen existiendo problemas de corrosión.
ηtR ηtR
P( condensador) P (caldera)
La solución optima será que en lugar de trabajar en las condiciones de vapores húmedos ( en la expansión de la turbina), se trabaje en la zona de vapores recalentados.
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Asignatura: Tecnología Energética (13012023)
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