Equipo 3, Undad 3, Ciclo Rankine.docx

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TUXTLA GUTIÉRREZ

DEPARTAMENTO DE METAL-MECÁNICA MAQUINA DE FLUIDOS COMPRESIBLES CICLO RANKINE

Docente: M.C MOLINA DOMÍNGUEZ SAÚL DE JESÚS

Integrantes de equipo: MIRANDA CAJIJA SAMUEL (162700051) FRANCO DÍAZ JOSÉ GUADALUPE (16270037)

MECANICA 7A

TUXTLA GUTIÉRREZ A 01 DE ABRIL DE 2019

INTRODUCCIÓN Actualmente vivimos en una era en donde el uso de la energía eléctrica es muy importante; los generadores de energía eléctrica son fundamentales. Como sabemos por la primera ley de la termodinámica la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Con lo anterior mencionado deducimos que es necesario el uso de dispositivos capaces de generar energía eléctrica a partir de la transformación de otros tipos de energía, y claramente una gran opción es: la conversión de la energía calorífica en trabajo que a su vez sea capaz mediante un dispositivo como puede ser una turbina en energía eléctrica. A continuación se hablará sobre el ciclo Rankine, que; al ser muy útil actualmente incluso está en constantes mejoras.

CONTENIDO 1 CICLO RANKINE ................................................................................................. 1 1.0.1 Ciclo termodinámico ................................................................................... 1 1.1 Proceso.......................................................................................................... 2 1.2 Diagrama t-s del ciclo .................................................................................... 3 1.3 Ecuación de rendimiento ............................................................................... 5 1.3 Eficiencia ....................................................................................................... 5 1.4 Ejemplo .......................................................................................................... 6 2 CONCLUSIÓN ..................................................................................................... 7 3 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 7

CICLO RANKINE

1 CICLO RANKINE El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que 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. El ciclo surge como una mejora del Ciclo de Carnot al buscar tener una mejor relación de trabajo (trabajo útil respecto del trabajo total), ver la ilustración 1.

Ilustración 1 el ciclo Rankine

1.0.1 Ciclo termodinámico Se

denomina ciclo

termodinámico a

cualquier

serie

de procesos

termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regresa a su estado inicial; es decir, que la variación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema se anula.

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CICLO RANKINE No obstante, a las variables como el calor o el trabajo no es aplicable lo anteriormente dicho ya que éstas no son funciones de estado del sistema, sino transferencias de energía entre éste y su entorno. Un hecho característico de los ciclos termodinámicos es que la primera ley de la termodinámica dicta que: la suma de calor y trabajo recibidos por el sistema debe ser igual a la suma de calor y trabajo realizados por el sistema.

1.1 Proceso El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo. Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera. Existen también centrales alimentadas mediante energía solar térmica (centrales termosolares), en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores cilindro-parabólicos o un sistema de helióstatos y torre. Además este tipo de

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CICLO RANKINE centrales poseen un sistema de almacenamiento térmico, habitualmente de sales fundidas. El resto del ciclo, así como de los equipos que lo implementan, serían los mismos que se utilizan en una central térmica de vapor convencional. Para comprender mejor el funcionamiento del ciclo Rankine favor de ver el video del siguiente link: https://www.youtube.com/watch?v=um2U0GQuhAo 1.2 Diagrama t-s del ciclo El diagrama T-s (temperatura y entropía) de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isobáricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los estados principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4: líquido subenfriado). Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles): Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma. Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga. Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera. Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la

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CICLO RANKINE temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero esta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse). En la ilustracion 2 se ilustra el proceso mencionado previamente.

Ilustración 2

En un ciclo más realista que el ciclo Rankine ideal descrito, los procesos en la bomba y en la turbina no serían isoentrópicos y el condensador y la caldera presentarían pérdidas de carga. Todo ello generaría una reducción del rendimiento térmico del ciclo. El rendimiento isoentrópico de la turbina, que representa el grado de alejamiento de una turbina respecto al proceso ideal isoentrópico, jugaría un papel principal en las desviaciones al ciclo ideal y en la reducción del rendimiento. El rendimiento isoentrópico de la bomba y las pérdidas de carga en el condensador y la caldera tendrían una influencia mucho menor sobre la reducción de rendimiento del ciclo. En las centrales térmicas de gas se utiliza un ciclo "hermano" del ciclo Rankine ideal: el ciclo Brayton ideal. Este ciclo utiliza un fluido de trabajo que se mantiene en estado de gas durante todo el ciclo (no hay condensación). Además utiliza un compresor en lugar de una bomba (constructivamente suele ir solidariamente unida a la turbina de gas en un eje común); por otro lado, el equipo donde se produce la combustión no se denomina caldera sino cámara de combustión o

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CICLO RANKINE combustor. Los equipos utilizados en estas instalaciones son más compactos que los de las centrales térmicas de vapor y utilizan como combustible habitual el gas natural. Finalmente ambos tipos de ciclos se integran en las centrales térmicas de ciclo combinado, donde el calor rechazado por el ciclo Brayton (en su configuración más simple, aportada por los gases calientes de la combustión que abandonan la turbina de gas) es utilizado para alimentar el ciclo Rankine (sustituyendo a la caldera). 1.3 Ecuación de rendimiento La eficiencia termodinámica o rendimiento térmico del ciclo

se define como la

relación entre la potencia mecánica de salida con respecto a la potencia térmica de entrada (ecuación 1)

⃑𝑊 ⃑⃑ 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 − ⃑𝑊 ⃑⃑ 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎

( 1)

⃑ 𝑖𝑛𝑡 𝑄

1.3 Eficiencia La eficiencia del ciclo compara la entrega total del ciclo deseada con la demanda requerida, en tanto que la eficiencia de los aparatos considera un proceso (no un ciclo) y compara la trayectoria real con la isentrópica. Un ciclo de potencia o una máquina térmica, tiene una entrega de trabajo |W| una demanda de calor |QA| del depósito a temperatura elevada. El rendimiento de un ciclo de Rankine con recalentamiento aumenta conforme se incrementa el número de etapas de expansión y recalentamiento. Sin embargo, la mejora que introduce un segundo recalentamiento es aproximadamente la mitad de la que introduce un tercer recalentamiento, y la de un tercero la mitad de la que se alcanza con el segundo. Esto hace que el empleo de más de dos etapas de recalentamiento no sea práctico, ya que para más etapas la ganancia tan pequeña no compensa el coste y la complejidad de la instalación.

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CICLO RANKINE Para responder a las crecientes demanda de potencia, las presiones de operación de las calderas, han ido incrementándose de manera de elevar las ganancias térmicas al incrementar la temperatura de entrada a la caldera por efecto de la presión, disminuyendo el calor transferido al fluido de trabajo. La segunda ley de la Termodinámica establece los ciclos irreversibles de un sistema, por lo cual se concluye que la temperatura siempre irá de mayor temperatura a mejor temperatura. La temperatura tras el recalentamiento, es generalmente igual o algo inferior a la temperatura de entrada en la primera etapa de la turbina. El máximo rendimiento térmico de un ciclo ideal con recalentamiento se obtiene cuando el cociente Psal / Pent en la turbina de alta presión, se encuentra dentro del intervalo de 0,15 a 0,35. 1.4 Ejemplo El uso de vapor como fluido termodinámico se justifica por una gran variedad de propiedades entre ellas que es abundante y relativamente barato de producir. Además debido al cambio de fase transporta una gran cantidad de energía por unidad de masa. Un ciclo de vapor conocido es el de las locomotoras de vapor, que se ilustra en la figura siguiente (ilustración 3).

Ilustración 3

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CICLO RANKINE 2 CONCLUSIÓN El uso de ciclos termodinámicos para generar potencia es una práctica muy necesaria actualmente, con lo que; con lo que pudimos ver a lo largo de esta investigación, el ciclo Rankine es una excelente opción. Dada la ventaja que nos ofrece al no contar con muchos elementos. Además cabe mencionar que; el ciclo Rankine al ser un ciclo que forma parte de muchas aplicaciones está en constante mejora, es decir hay personas que se encargan de hacer mas estudios sobre este y otras que se encargan de aplicarlos.

3 BIBLIOGRAFÍA A. Cengel, Y., & A. Boles, M. (2012). Termodinámica. México, D.F.: McGRAWHILL. Navarro. (08 de 11 de 2012). http://navarrof.orgfree.com. Recuperado el 25 de marzo

de

2019,

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http://navarrof.orgfree.com/Docencia/Termodinamica/CiclosGeneracion/cicl o_rankine.htm Paredes Aguirre, E. (23 de octubre de 2014). prezi.com. Recuperado el 20 de marzo de 2019, de https://prezi.com/txveq09qn4gs/rendimiento-termico-delciclo-de-rankine/ wikipedia, C. (28 de mayo de 2018). wikipedia.org. Recuperado el 20 de marzo de 2019,

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https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Especial:Citar&page=Ciclo_de_R ankine&id=108233788 www.youtube.com. (14 de mayo de 2014). Recuperado el 20 de marzo de 2019, de https://www.youtube.com/watch?v=um2U0GQuhAo

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