Resolución 1° Parcial - MTHy F PDF

Preview

Summary

1) En un ciclo Rankine con Recalentamiento ¿El calor de recalentamiento es mayor o menor que el correspondiente al Sobrecalentamiento? Justifique la respuesta.El recalentamiento en el ciclo Rankine se produce aproximadamente a la temperatura media termodinámica del ciclo con sobrecalentamiento equiv...

Description

1) En un ciclo Rankine con Recalentamiento ¿El calor de recalentamiento es mayor o menor que el correspondiente al Sobrecalentamiento? Justifique la respuesta. El recalentamiento en el ciclo Rankine se produce aproximadamente a la temperatura media termodinámica del ciclo con sobrecalentamiento equivalente.

Esta temperatura se encuentra por debajo de la temperatura de vapor saturado del fluido a presión de caldera. Como ambos calentamientos se efectúan a presión constante, se puede afirmar que el calor de sobrecalentado es menor que el de recalentado. Es decir: h5 − h4 < h3 − h2'

2) Dibujar en un diagrama TS un ciclo real con Recalentamiento considerando las irreversibilidades. Expresar el rendimiento y el factor de calidad. El siguiente diagrama muestra esquemáticamente la diferencia entre dos ciclos Rankine con recalentamiento: por un lado, el ideal, y por otro el real:

El rendimiento del ciclo real estará definido por el cociente del trabajo útil y el calor aportado al ciclo: η=

ALU Q 1r

Donde Q 1r representa el calor entregado al ciclo real, mientras que AL u representa el trabajo útil del ciclo (teniendo en cuenta los rendimientos de la turbina y de la bomba para poder calcular las entalpías correspondientes). Para el cálculo del factor de calidad, se efectúa el cociente entre el trabajo útil y la exergía entregada en el ciclo: AL ϕ= u Q er El factor de calidad da una idea más exacta de la evolución del proceso valorando con más exactitud la calidad de los equipos que intervienen en el ciclo.

3) Representar en un esquema energético de Sankey las pérdidas de energía y la energía útil de un ciclo Rankine con sobrecalentamiento. Los diagramas de Sankey se suelen utilizar para visualizar las transferencias de energía. Este tipo de diagramas pone un énfasis visual de las transferencias importantes o flujos dentro de un sistema, y son de gran ayuda en la localización de las contribuciones dominantes para un flujo total.

Puede observarse como de un 100% de la energía que ingresa al sistema, se obtiene aproximadamente un 40%

4) Expresar los consumos específicos de:  Calor referido al combustible.  Consumo de vapor.  Consumo de un monoblock.  ηtotal del ciclo. La medición y el cálculo del consumo de combustible en las instalaciones generadoras de potencia, reviste gran importancia a la hora de evaluar el funcionamiento de estos sistemas en la industria. Por definición, a la energía que se desprende de la combustión, se le conoce como poder calorífico del combustible. Dicho poder calorífico, o calor específico de combustión, como también se le conoce, es la cantidad de calor que entrega un kilogramo o un metro cúbico de combustible al oxidarse completamente. El balance térmico de una central generadora se puede expresar como:

QT .η = G.PC .η = W Donde: Q T : Consumo total de calor del combustible η: Rendimiento G: Consumo de combustible P C : Poder calorífico W: Potencia generada Si en la fórmula anterior, G se expresa en [g/s] y P C en [kJ/g], entonces, la potencia generada vendrá dada en kW:

G. PC.η = W = [ g s][ kJ g] = kW Unido a los indicadores del consumo económico de calor de la central generadora, el rendimiento y el consumo específico de calor, también se utiliza el consumo específico de combustible, expresado en [g/kJ] o [g/kWh]. Consumo específico de combustible:

CE = G W =1 PC .η = [ g kJ ] Si G está expresado en kg/h y PC en kJ/kg, entonces G .PC .η = 3600W , por lo que para expresar el consumo específico de combustible (C E ), en g/kWh, se puede utilizar la fórmula siguiente:

CE = G W = (3600 PC .η ).1000

Consumo específico de calor: Es la cantidad de calorías que se suministran a una instalación para obtener una potencia determinada en KWh.

Cesp = G.PC N e = 860 η

n= Rendimiento Total de la Instalación G= Peso del combustible P C = Poder calorífico del combustible N e = Potencia del generador Consumo específico de vapor: El consumo de vapor está determinado por la expresión:

D = Pelec ∆ h.η mec .η gen

Donde la variación de entalpía se calcula con la entalpía que entra y sale de la turbina. Luego, el consumo específico de vapor es:

d = D Pelec

ηtotal del ciclo: Dado que se pide el rendimiento en el ciclo, los rendimientos que hay que considerar son el de la turbina, el de la caldera y los consumos auxiliares. A su vez, el rendimiento ideal del ciclo se obtiene suponiendo un rendimiento ideal de los elementos que intervienen. Por lo tanto el rendimiento real es:

ηtotal = ηideal .ηturbηcal .(1 − Caux )

ηtotal = 34,18%

5) Diagrama de flujo de un ciclo Regenerativo con 3 extracciones.  Indicar en un TS el área de ahorro.  Dibujar la curva de ganancia.  Balances de energía de los precalentadores.  ¿En qué condiciones ideales se alcanzaría la Carnotización del ciclo?  ¿Ventajas que se obtienen con la disposición en cascada de los condensadores?

Diagrama de flujo de ciclo regenerativo con 3 extracciones:

Diagrama TS del ciclo:

Curva de ganancia de ciclo regenerativo con 3 extracciones:

Balances de energía de los precalentadores:

GL ⋅ (h2 − h1 ) = GV ⋅ ( i2 − i1 ) GV =

G L ⋅ (h 2 − h 1 ) (i2 − i1 )

Ga ⋅ i2 + GL ⋅ i1 = ( Ga + GL ) ⋅ i3 Ga =

GL ⋅ ( i3 − i1) i2 − i3

La condición ideal (denominada así por ser tanto económica como técnicamente imposible de lograr) para Carnotizar el ciclo se daría el efectuar infinitas extracciones en la turbina. Efectuar las infinitas extracciones implicaría realizar la absorción de calor a temperatura constante y sin saltos de temperatura en el intercambio de calor. Debido a este efecto se dice que se “carnotiza” el ciclo. La utilización de condensadores en cascada es en algunos casos la única forma de lograr temperaturas moderadamente bajas que a veces requieren ciertos procesos industriales (-25 a 75ºC). Consiste básicamente en una serie de ciclos simples de compresión de vapor, de tal manera que el condensador de un ciclo a temperatura baja entregue calor al evaporador de un ciclo a temperatura superior. Cabe destacar que se emplean varios refrigerantes, uno distinto para cada etapa de condensadores para satisfacer los requisitos de cada intervalo de temperatura.

6) Diagramar un ciclo de cogeneración partiendo de una turbina de gas con entrega de calor al proceso, a saber:  Esquema de Flujo.  Diagrama TS.  Rendimiento. Los diferentes ciclos de cogeneración que surgieron a lo largo de estos años fueron debido a la necesidad de la mejora del rendimiento de los ciclos conocidos hasta ese momento. De esta manera, sus numerosas aplicaciones en la industria y centrales eléctricas hicieron que el calor de desecho fuera utilizado para satisfacer otro proceso y promover la mejor utilización del calor. En este apartado se analiza un ciclo de cogeneración partiendo de una turbina de gas donde parte del calor de desecho es usado para la realización de un proceso industrial. En la siguiente imagen se muestra el diagrama de flujo del ciclo mencionado:

Se puede apreciar en la figura distintos puntos característicos en varias partes del ciclo. A continuación, se detallan cada uno de los puntos: • • • • •

1 = Entrada de gas al compresor. 2 = Gas comprimido entrante al intercambiador de calor. 3 = Gas entrante a la turbina. 4 = Salida del gas de la turbina. 5 = Salida del gas del intercambiador de calor con la caldera.

En base a estos puntos se puede distinguir claramente la energía térmica puesta en juego en cada sector. Existe calor entrante al ciclo en el trayecto 1-2, expulsión de calor de proceso en el 4-5 y la liberación de calor residual en trayecto 5-1. Para una mejor comprensión de lo dicho anteriormente se muestra en la siguiente figura el diagrama TS del ciclo:

Finalmente, para concluir es estudio del ciclo se halla en la siguiente sección el rendimiento correspondiente:

η=

Wneto + Qp Q ent

=

Q ent − (Q sal + Q p ) + Q p Q ent

= 1−

Q sal Q ent

Se ve claramente que el rendimiento es mayor en un ciclo de cogeneración de turbina de gas en comparación con un ciclo Joule-Brayton a secas por ser menor el calor de salida en el mencionado al principio. Elaborando un poco más la ecuación de rendimiento, teniendo en cuenta que la sustancia que interviene es considerada un gas ideal, se obtiene la siguiente expresión:

η = 1−

Cp (T5 − T1 ) Cp (T3 − T2 )

= 1−

T5 − T1 T3 − T2

7- Dibujar un ciclo combinado (TG TV) con 2 niveles de presión, a saber: • • • •

Esquema de flujo Diagrama TS Rendimiento Diagrama Sankey

En el sentido más amplio, una planta de “ciclo combinado” consiste en la integración de dos o más ciclos termodinámicos energéticos, para lograr una conversión más completa y eficiente de la energía aportada en trabajo o potencia. Termodinámicamente, esto implica la unión de un ciclo Brayton de gas a alta temperatura con un ciclo Rankine de moderada temperatura; el calor residual del escape del ciclo Brayton sirve como calor de aporte al ciclo Rankine.

Esquema de flujo de un ciclo combinado TG-TV (2 niveles de presión) Referencias: 1. Compresor. 2. Turbina de Gas. 3. Sobrecalentador alta presión. 4. Evaporador alta presión. 5. Economizador alta presión. 6. Sobrecalentador baja presión. 7. Economizador alta presión. 8. Calderín alta presión. 9. Calderín baja presión. 10. Turbina Vapor. 11. Condensador. 12. Bomba condensado. 13. Desgasificador. 14. Bomba de agua AP 15. Bomba de agua BP 16. By-pass de vapor al condensador 17. Suministro de vapor al desgasificador en los arranques 18. Reposición de agua al ciclo.

Diagrama Temperatura- Entropía (ts)

Cálculo de rendimiento:

Donde:

8) Un ciclo binario que ventaja térmica tiene sobre un ciclo de agua. Los ciclos binarios consisten básicamente en utilizar líquidos con calores de vaporización superiores o inferiores al del agua, de forma que el calor no aprovechable para producir trabajo del ciclo del fluido distingo al agua (de mayor calor de vaporización) se pueda aprovechar para vaporizar el agua, que a su vez evolucionaría según su ciclo definido. Análogamente, el calor no aprovechable del agua para generar trabajo podría ser utilizado para vaporizar un fluido de menor calor de vaporización que el agua, y así sucesivamente.

9) Para iguales potencias eléctricas entregadas a la red, ¿La potencia absorbida por un compresor de flujo axial en un ciclo Joule-Brayton es mayor o menor a que la correspondiente a una bomba de alimentación de un ciclo Rankine? Se demuestra de manera empírica que el trabajo exigido por el compresor de un Ciclo Joule – Brayton es mayor al trabajo exigido por la bomba necesaria para el correcto funcionamiento del Ciclo Rankine. Los porcentajes del trabajo total para cada componente se detallan a continuación:

LCompresor = 0, 7. LÚtil LBomba = 0,03. LÚtil Entre las principales razones se encuentra la disposición del elemento en cada ciclo. Con esto se quiere decir que el compresor, al estar solidario al eje de la turbina en el Ciclo Joule – Brayton, se lleva un porcentaje elevado de la energía del ciclo en cuestión. Caso contrario ocurre con la bomba ya que, al estar separada del circuito, se lleva un porcentaje mucho menor en comparación con el compresor tal y como se puede apreciar en los datos brindados anteriormente.

10) Representar en un diagrama T-s un ciclo de cogeneración con turbina de contrapresión con entrega de calor al proceso con:  Esquema de flujo.  Cálculo de η . En un ciclo de cogeneración se busca la mejora de eficiencia del ciclo Rankine usando parte del calor que se transformaría en trabajo en la turbina para satisfacer la demanda de energía térmica de un proceso industrial. De esta manera, una industria que posea un sistema de cogeneración satisface su demanda eléctrica y térmica. Además, mediante una válvula reguladora de presión es posible •

•

controlar el calor de proceso ( QP ) y el calor desechado ( QS ) obtenido por la generación eléctrica en función de la demanda de la industria. A continuación, el esquema de flujo y el diagrama T-s del ciclo:

Figura 1. Esquema de Flujo.

Figura 2. Diagrama T-s.

Finalmente, para concluir con el ejercicio, se muestra en la siguiente expresión el cálculo del rendimiento del ciclo: •

η=

•

•

L T− LB+ Q P •

Q Ent

•

=

•

•

GT (i1 − i2 ) − GT (i4 − i3 ) + GV (i6 − i7 ) •

G(i1 − i9 )...