Termo Unidad V.docx

¿Cuáles son los 4 procesos que integran el ciclo Rankin ideal simple? un ciclo Rankin ideal está formado por cuatro procesos: dos isentrópicos y dos isobáricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos isentrópicos (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 isentrópica 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 isentrópica 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 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 que difieren los ciclos reales de energía de vapor, de los idealizados? El ciclo real de energía de vapor difiere del ciclo ideal como resultado de las irreversibilidades en diversos componentes. La fricción del fluido y pérdida de calor del vapor hacia los alrededores son las dos Fuentes más comunes de irreversibilidades.

Heriberto Díaz Ibarra

La entrada del vapor reales como consecuencia de las irreversibilidades, con el propósito de controlar el incremento de entalpia, se propone enfriar el vapor en la turbina haciendo circular agua de enfriamiento alrededor de la carcasa de la turbina, se argumenta que esto reduce la entropía y la entalpia del vapor a la salida de la turbina y por consiguiente aumentara la salida del trabajo, ¿Cómo evaluaría esta propuesta? Con la segunda etapa del ciclo Rankine ideal, esta se realizará en la caldera, en donde recibe energía en forma de calor, obteniéndose vapor con alto nivel de energía que se llevará a la turbina. El calor adicionado se evalúa en términos de las condiciones del vapor de salida y el agua de entrada, Qa=H3 –H2. La tercera etapa, esta sirve para extraer energía al fluido transformándolo en trabajo útil en la turbina. Se evalúa en términos de las condiciones a la salida, generalmente vapor saturado con algún contenido de agua líquida y del vapor sobre saturado a la entrada, Wt=H4-H3

¿Es posible mantener una presión de 10 KPa en un condensador que se enfría por medio de agua de rio que entra a 20 oC? A los 20ºC, la presión de saturación del agua es de aproximadamente 2.4 KPa. Entonces, teóricamente es posible mantener la presión sobre eso, siempre que haya suficiente transferencia de calor para colapsar toda la masa de vapor que se está poniendo en el condensador.

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¿Cómo puede mejorarse la eficiencia de la segunda ley de un ciclo de Rankin y de ideal simple? Bajando la presión del condensador: El vapor sale de la turbina y entra al condensador como una mezcla saturada en línea con la correspondiente presión de vapor en el condensador. Bajar la presión del condensador siempre ayuda a entregar más trabajo de red en la turbina ya que es posible una mayor expansión de vapor en la turbina. Con la ayuda del diagrama T-s, se puede ver y comprender el efecto de reducir la presión del condensador sobre el rendimiento del ciclo. efecto de menor presión del condensador.

Sobrecalentando el vapor a una temperatura más alta El sobrecalentamiento del vapor es el fenómeno en el cual el calor se transfiere al vapor para sobrecalentar el vapor a una temperatura más alta al mantener la presión constante en la caldera. efecto de una mayor presión del condensador El área sombreada en el diagrama T-s anterior muestra claramente el aumento en el trabajo neto (3-3'-4'-4) a causa del aumento en la temperatura de sobrecalentamiento del vapor. El aporte de calor adicional en forma de energía deja el ciclo como trabajo, es decir, el aumento en la producción de trabajo supera el aporte de calor adicional y el rechazo de calor. La eficiencia térmica del ciclo de Rankine aumenta a causa del aumento en la temperatura del vapor.

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La historia de las calderas de vapor y la evolución de las centrales eléctricas de vapor supercríticas modernas. Cuando James Watt observó que se podría utilizar el vapor como una fuerza económica que reemplazaría la fuerza animal y manual, se empezó a desarrollar la fabricación de calderas, hasta llegar a las que actualmente tienen mayor uso en las distintas industrias. Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes estaban en contacto solamente con su base, y en consecuencia se desaprovechaba el calor del combustible. Debido a esto, posteriormente se les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calefacción. Si por el interior de los tubos circulan gases o fuego, se les clasifican en calderas pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuotubulares (tubos de agua). Hasta principios del siglo XIX se usó la caldera para teñir ropas, producir vapor para la limpieza, etc., hasta que Dionisio Papin creó una pequeña caldera llamada marmita en 1769. Se usó vapor para mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo, ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse, ésta dejaba de producir trabajo útil. Luego de otras experiencias, James Watt completó en 1776 una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial inglés muy conocido. En 1800, Richard Trevitchik hizo una máquina capaz de soportar una presión de 4.57 kg/cm2 (65 psi,) con un cilindro de 63.5 cm (25 pulgadas) y carrera de 3 metros (10 pies). La elevada presión de trabajo de la máquina resultaba posible únicamente debido a que se contaba con una caldera de alta presión. Construida en 1804, esta caldera estaba formada por una envolvente cilíndrica de hierro fundido y con un extremo en forma de disco. Al aumentar la demanda de cantidades aún más grandes de energía, los avances realizados consistieron en reemplazar el tiro único por muchos tubos par gases, lo que aumentó la superficie de calefacción. Este era el diseño esencial, en uso generalizado hasta aproximadamente 1870. Sin embargo, las calderas tubos de humo resultaban limitadas en cuanto a su capacidad y su presión, no estando por ello destinadas a satisfacer las exigencias que se hacían presentes, relativas a presiones mayores y a tamaños unitarios más grandes. En los últimos años del siglo XVIII, el estadounidense John Stevens inventó una caldera formada por un grupo de pequeños tubos cerrados por un extremo y conectados por el otro a un depósito central. El diseño tuvo corta duración, debido a los problemas básicos de ingeniería que suponían su construcción y operación. En 1856, Stephen Wilcox propuso lo que habría de constituir un adelanto fundamental en relación con las calderas con tubos de agua. Su diseño aplicaba tubos de agua inclinados que conectaban los depósitos de agua situados en la parte anterior y en la posterior, con un espacio superior para el vapor, lo que permitía una mejor circulación del agua y un aumento en la superficie de calefacción. Una ventaja adicional consistía en la reducción de los riesgos por explosión inherentes al diseño de tubos de agua. En 1866, George Herman Babcock se asoció con Stephen Wilcox y un año más tarde patentaron la primera caldera Babcock y Wilcox. El éxito y la amplia aceptación de la caldera con tubos de agua Heriberto Díaz Ibarra

inclinados que tuvo lugar durante un período sin precedentes de rápido crecimiento industrial, estimuló a otros inventores a explorar nuevas ideas en el diseño de calderas. En 1880, Allan Stirling creó un diseño que conectaba directamente los tubos de generación de vapor a un tambor separador, caracterizándose además por el reducido espacio superior sobre el hogar. Estas calderas utilizaban en su construcción tubos doblados en contraste con los tubos rectos utilizados en la B&W. El mérito de las calderas con tubos doblados para aplicaciones especiales se vio pronto reconocido por Babcock y Wilcox, dando lugar a que, en 1906 la B&W adquiriese lo que entonces se llamaba la Sterling Consolidated Boiler Company.

Tipos de calderas Clasificación de las calderas por su diseño  Calderas pirotubulares, o de tubos de humo. La llama se forma en el hogar pasando los humos por el interior de los tubos de los pasos siguientes para ser conducidos a la chimenea; presentan una elevada perdida de carga en los humos El hogar los tubos están completamente E. TORRELLA humos. El hogar y los tubos están completamente rodeados de agua.

Esta es la primera caldera pirotubular en comparación con una caldera pirotubular actual

 Calderas acuotubulares, o de tubos de agua. La llama se forma en un recinto de paredes tubulares que configuran la cámara de

combustión. Soporta mayores presiones en el agua, pero es más cara, tiene problemas de suciedad en el lado del agua, y menor inercia térmica Es el diseño de las primeras calderas acuotubulares en comparación con una actual

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La evolución de las turbinas supercríticas, mayor eficiencia y menores emisiones Dado que las tecnologías para calderas desde 1980 evolucionaron a partir de la subcrítica a la supercrítica, y a su vez a la ultra supercrítica (USC), ha permitido lograr un incremento de la eficiencia de las plantas de energía con el paso del tiempo. La diferencia básica entre la SC y la tecnología subcrítica convencional se encuentra en las condiciones de vapor/presión. Concretamente, las unidades SC y USC de carbón pulverizado (CP) operan a mayores temperaturas y presiones, a fin de lograr una eficiencia superior y producir menos emisiones de CO2. De acuerdo con el Instituto Mundial del Carbón, las nuevas unidades accionadas por CP que incorporan estas tecnologías alcanzan mayores eficiencias operativas que las unidades convencionales. En el caso de las SC y USC, las condiciones de vapor del agua en la caldera son sometidas a tan altas temperaturas y presiones que se genera una distinción clara entre su fase líquida y gaseosa. Los avances más recientes en la tecnología de caldera se han realizado a través de mejoras en la expansión de la eficiencia mediante la reducción de las pérdidas aerodinámicas y de fugas, logrado gracias a un avance evolutivo enfocado hacia una mayor densidad de potencia y eficiencia. Para obtener una alta densidad de potencia se necesitó desarrollar nuevas aleaciones de rotor y cubo, junto con mejoras en el diseño y análisis de dispositivos acoplados en las paletas. Esto se ha traducido en un aumento de las tensiones admisibles, lo que permite la construcción de largos cubos para incrementar el área de escape. Mientras que el nivel de eficiencia global de una planta de carbón promedia es actualmente del 28%, las plantas de energía de última generación de tipo SC pueden alcanzar una eficiencia superior al 45%. También requieren de menos carbón, por lo que además reduce las emisiones y los costes de combustible. Como resultado, la tecnología supercrítica se ha convertido en la mejor opción para las nuevas plantas en los países industrializados.

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¿Cuál fue el papel de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME) para este desarrollo? Después de la invención de la máquina de vapor a finales del siglo 18, hubo miles de explosiones de calderas en los Estados Unidos y Europa, lo que dio lugar a muchas muertes y se prolongó durante todo el siglo XIX. El primero Código para Calderas y Recipientes a Presión (edición de 1914) se publicó en 1915 y era un libro de 114 páginas. El Código de Calderas y Recipientes a Presión de ASME (BPVC) es una norma que establece normas para el diseño, la fabricación y la inspección de las calderas y los recipientes a presión. Un componente a presión diseñado y fabricado de acuerdo con esta norma tendrá una larga vida de servicio útil que asegura la protección de la vida humana y la propiedad. El BPVC está escrito por voluntarios, que son nombrados a sus comisiones en base a sus conocimientos técnicos y su capacidad para contribuir a la redacción, revisión, interpretación y administración del documento.

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