Carátula para entrega de Prácticas Sistemas de Conversión de energía Térmica Facultad de Ingeniería Sistemas de Conversión de energía Térmica Agustín Nieves Saavedra Profesora: Asignatura/clave: Sistemas de conversión de energía Térmica (2501) Grupo Laboratorio: No de Práctica(s): Integrante(s): Carrera: Semestre: 18 3° “Ciclo Rankine” Ocariz Echeverria Jesús Salvador Ingeniería Mecánica 2023-1 Fecha de Realización: 8 de Septiembre de 2022 Fecha de entrega: 15 de Septiembre de 2022 Observaciones: Calificación: . OBJETIVO: ⟶ Estudio del ciclo ideal de Rankine, y sus modificaciones. ⟶ Representación en un diagrama T - S del ciclo Rankine, cálculo de eficiencias y determinación del punto óptimo de operación de una turbina de vapor mediante línea Willan´s. DESARROLLO EXPERIMENTAL: Al inicio de la práctica, se mencionó que se iba a trabajar con un ciclo Rankine simple, se plantearon los cálculos y mediciones de interés para posteriormente proceder a revisar y analizar el equipo que se iba a operar. Se explicó de qué forma se iba a manejar el banco de resistencias de la turbina y también que en cada evento el voltaje se tenía que mantener constante para quede igual forma los rpm también lo fueran, después observamos en que puntos ycon qué instrumentos se iban a medir presiones y temperaturas en el último evento, se colocaron los termómetros como se y se visualizaron los manómetros para lecturas de presión. Empezamos con la prueba aumentando la resistencia, pero a su vez mantenido el voltaje fijo, una vez que se estabilizará los instrumentos de medición. se tomaron lecturas de corriente eléctrica y se superviso con ayuda del tacómetro de contactoque los rpm fuesen constantes, en cada uno de los eventos se tuvo que medir elgasto de condensado que después iba a resultar ser igual al gasto de vapor. Los pasos anteriores se repitieron hasta llegar al 5° evento donde se midió la presión en la caldera, en el condensador y en la válvula para regular flujo, tambiénse midió la temperatura a la entrada y salida del condensador, y a la entrada de lacaldera, de igual forma obtuvimos el gasto de condensado Después de haber obtenido todos los datos de interés procedimos a deshabilitar elequipo con el que trabajamos, de la misma forma que fuimos aumentado la resistencia eléctrica en la turbina, en este caso fuimos disminuyendo poco a poco dicha resistencia y a su vez estabilizando el equipo para finalmente apagar la turbina por completo. INVESTIGACIÓN: Ciclos de Vapor ⟶ Ciclo Rankine simple El ciclo de Rankine es el ciclo ideal que sirve de base al funcionamiento de las centrales térmicas, las cuales, producen actualmente la mayor parte de la energía eléctrica que se consume en el mundo. 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 opera entre los mismos focostérmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macguorn Rankine. Utiliza un fluido Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (si bien 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 dela turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor se 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 faselíquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo. El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isóbaricos. 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. Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, comopor ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera. El principio de funcionamiento de las turbinas de vapor tiene su fundamento en el Ciclo Rankine, al final del cual el fluido de trabajo retorna a su estado y composición inicial. Cuatro procesos se distinguen en un Ciclo Rankine ideal: 3-4 4-1 1-2 2-3 Proceso de bombeo adiabático y reversible. Transferencia de calor al fluido de trabajo en una caldera a presión constante. Expansión adiabática y reversible del fluido en la turbina. Transferencia de calor desde el fluido de trabajo a presión constante en el condensador. El ciclo de Rankine es usado para expresar el comportamiento ideal de una máquina reciprocante de vapor o de una turbina, que operan en conjunto con otroequipo y forman lo que se llama una planta de vapor. Para esta práctica, la máquina de vapor será una turbina y como equipo adicionalse tienen una caldera, un condensador y una bomba de agua de alimentación. 3-4 Proceso de bombeo adiabático y reversible. 4-1 Transferencia de calor al fluido de trabajo en una caldera a presión constante. 1-2 Expansión adiabática y reversible del fluido en la turbina. 2-3 Transferencia de calor desde el fluido de trabajo a presión constante en el condensador. ⟶ Ciclo Rankine Regenerativo. Esta modificación al ciclo básico, consiste en extraer una parte del flujo de trabajo en varias etapas intermedias de la turbina y pasarla por calentadores, en los cuales el vapor cede su calor al agua que sale del condensador para elevar su temperatura. La regeneración, además de mejorar la eficiencia del ciclo, proporciona un medio para evitar corrosión en la caldera. También ayuda a controlar el flujo de vapor en las etapas finales de la turbina. El ciclo Rankine regenerativo se utiliza en todas lascentrales eléctricas. Consiste, en extraer parte del vapor expandido en la turbina y utilizarlo para suministrar calor al fluido de trabajo (mediante calentadores), aumentado su temperatura antes de pasar por la fuente principal de calor (Caldera) a una presión determinada. Existen dos tipos de calentadores uno denominado calentador abierto o de contacto directo y el calentador cerrado o cambiador de calor de carcasa y tubos. En las centrales eléctricas de vapor el proceso de regeneración se logra con la extracción de vapor de la turbina en diversos puntos. Este vapor se utiliza para calentar el agua de alimentación (agua que sale del condensador). El dispositivo que realiza este proceso se llama regenerador o calentador de agua de alimentación. ⟶ Calentador de agua: El calentador de agua de alimentación es un intercambiador de calor que transfiere dicho calor, básicamente de dos maneras, mediante dos tipos de calentadores que estudiaremos a continuación. ➢ Calentadores de agua de alimentación abiertos: El vapor extraído de la turbina se mezcla con el agua de alimentación que sale de la bomba. Se ajustan los flujos másicos de las corrientes que entran al calentador,de manera que el resultado de la mezcla a la salida del calentador sea líquido saturado a una presión determinada. El vapor extraído se mezcla con el agua de alimentación. ➢ Calentadores de agua de alimentación cerrados: En un calentador cerrado no se mezclan las corrientes que entran. El agua de alimentación circula por el interior de los tubos que pasan por el calentador y el vapor extraído de la turbina para precalentar el agua,se condensa sobre los tubos. Aumento y decremento de presión. ⟶ C i c l o Rankine con Recalentamiento. Este ciclo difiere del ciclo simple en que el proceso de expansión dentro de la turbina sucede en dos etapas. En la primera (una turbina de alta presión), el vapor se expande isoentrópicamente hasta una presión intermedia y regresa a la calderadonde se recalienta, para después expandirse isoentrópicamente en la segunda etapa (turbina de baja presión) hasta la presión del condensador. 1. Formas de Incrementar la eficiencia de un ciclo de vapor Existen modificaciones al ciclo que ayudan a mejorar su eficiencia por medio del incremento a la temperatura promedio a la que el calor se transfiere al fluido de trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura 1) 2) 3) 4) 5) promedio a la que el calor se rechaza del fluido de trabajo en el condensador. La energía disponible del ciclo puede ser incrementada de las siguientes maneras: Incrementando la presión del vapor a la salida de la caldera. Sobrecalentando el vapor que sale de la caldera. Disminuyendo la presión del vapor que sale de la turbina. Recalentando el vapor que sale de los primeros pasos de la turbinay volviendo a introducirlo en los pasos restantes. Usando un ciclo regenerativo para precalentar el agua de alimentación a la caldera. Actualmente el ciclo Rankine es el sistema térmico de más alta eficiencia(alrededor de 37.5%) y su uso más común es en las centrales. termoeléctricas, en donde se usa el ciclo con recalentamiento yregenerativo. En nuestro país se genera el 65% aproximadamente de energía eléctrica en plantas de este tipo, con capacidades que llegan hasta 350 MW porunidad. Materiales: → → → → → → 1 termómetro de 100° 1 termómetro de 150° 1 cronometro 1 balanza 3 cubetas 1 tacómetro de contacto Memoria de Cálculo: 1. TABLA DE DATOS Caldera: P1 6 [kg/cm2] X 96 % 588.399 [kPa] Turbina entrada: P2 52 [psi] RPM 3600 = 358527 [Pa] = 45329.616 [Pa] Condensador: P3 34 [cmHg] T3 78 [°C] Turbina salida: T4 57 [°C] Condensado: T5 40 [°C] mcondensado 4 [kg] tiempo 30 [s] Banco de carga : V 110 [V] I 58.18 [A] 𝑘𝑔 𝑃𝑎𝑡𝑚 = 0.796 𝑐𝑚2 = 7.8060934[kPa] 2. CÁLCULOS ● Entalpía en la salida de la caldera,(ℎ1 ) 𝑃𝑎𝑏𝑠1 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 + 𝑃1 𝑃𝑎𝑏𝑠1 = (588.399 + 78.061)[kPa] 𝑃𝑎𝑏𝑠1 = 666.459[kPa] Mediante un paquete de computación, la presión absoluta P1 y la calidad 𝑥1 = 96% 𝑘𝐽 ] 𝑘𝑔 ℎ1 = 2677.78 [ ● Entalpía en la entrada de la turbina,(ℎ2 ) Como el vapor de entrada a la turbina sufre un estrangulamiento isoentálpico: ℎ2 = ℎ1 𝑘𝐽 ℎ2=2677.78 [𝑘𝐽𝑘𝑔ℎ2 = 2677.78 [𝑘𝑔] En seguida, con ℎ2 y 𝑃𝑎𝑏𝑠2 , se calculará 𝑠2 . 𝑃𝑎𝑏𝑠2 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 + 𝑃1 𝑃𝑎𝑏𝑠2 = (358.527 + 78.061)[kPa] 𝑃𝑎𝑏𝑠2 = 436.588[kPa] Mediante un paquete de computación, la presión absoluta en la entrada de la turbina Pabs2 y h2: 𝑘𝐽 ] 𝑘𝑔 𝑠2 = 6.7138[ ● Entalpía teórica en la salida de la turbina,(ℎ3𝑇 ) Como la expansión teórica del vapor en la turbina se realiza de manera adiabática reversible, generalmente la entropía permanece constante. 𝑠3𝑇 = 𝑠2 Con 𝑠3𝑇 y 𝑃𝑎𝑏𝑠3 , se determinará el valor de ℎ3𝑇 . 𝑃𝑎𝑏𝑠3 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 − 𝑃𝑣𝑎𝑐 𝑃𝑎𝑏𝑠3 = (78.061 − 45.329 )[kPa] 𝑃𝑎𝑏𝑠3 = 32.732[kPa] Mediante un paquete de computación, la presión absoluta en el condensador Pabs3 y S3T: 𝑘𝐽 ] 𝑘𝑔 ℎ3𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 = 2275.3 [ ● Entalpía real en la salida de la turbina,(ℎ3 ) El vapor en la salida de la turbina está sobrecalentado a la presión del condensador. Con esto se requiere de 𝑃𝑎𝑏𝑠3 y 𝑇3 para obtener a ℎ3 . 𝑘𝐽 ] 𝑘𝑔 ℎ3𝑅𝑒𝑎𝑙 = 2641.2 [ Para h4 y h5 sólo es necesario aplicar ℎ4 = 𝐶𝑝 (𝑇1 − 0) ; 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝐶𝑝 4.186 [ kJ/ kg K] ● Entalpía del condensado,(ℎ4 ) 𝑘𝐽 ] 𝑘𝑔 ℎ4 = 238.602 [ ● Entalpía del líquido en la entrada de la caldera,(ℎ5 ) 𝑘𝐽 ] 𝑘𝑔 ℎ5 = 167.44 [ Cálculo de eficiencias de la turbina a) Eficiencia interna 𝜂𝑖𝑛𝑡 = 𝜂𝑖𝑛𝑡 = ℎ2 − ℎ3𝑅𝑒𝑎𝑙 ℎ2 − ℎ3𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 2677.78 − 2641.2 𝑘𝐽 [ ] 𝑥 100% 2677.78 − 2275.3 𝑘𝑔 𝜂𝑖𝑛𝑡 = 9.08 % b) Eficiencia mecánica 𝜂𝑚𝑒𝑐𝑎𝑛𝑖𝑐𝑎 = 𝐺𝑣 = 𝑉∗ 𝐼 (𝐺𝑣 )(ℎ2 − ℎ3𝑅𝑒𝑎𝑙 ) 𝑚𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜 4 𝑘𝑔 = [ ] t 30 𝑠 𝜂𝑚𝑒𝑐𝑎𝑛𝑖𝑐𝑎 = 110 [𝑉] ∗ 58.18[𝐴] 4 𝑘𝑔 𝑘𝐽 (30 [ 𝑠 ])(2677.78 − 2641.2) [ ] 𝑘𝑔 ∗ 100% 𝜂𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑎 = 131.21 % c) Eficiencia total 𝜂𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝜂𝑖𝑛𝑡 ∗ 𝜂𝑚𝑒𝑐𝑎𝑛𝑖𝑐𝑎 = 0.0908 ∗ 1.31 = 11.91% Cálculo de eficiencias del ciclo a) Eficiencia teórica 𝜂𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝜂𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = ℎ2 − ℎ3𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 ℎ2 − ℎ5 2677.78 − 2275.3 𝑘𝐽 [ ] 𝑥 100% 2677.78 − 167.44 𝑘𝑔 𝜂𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 16.032 % b) Eficiencia térmica 𝜂𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 = 𝜂𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = ℎ2 − ℎ3𝑅𝑒𝑎𝑙 ℎ2 − ℎ5 2677.78 − 2641.2 𝑘𝐽 [ ] 𝑥 100% 2677.78 − 167.44 𝑘𝑔 𝜂𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 1.457 % 3. TABLA DE RESULTADOS Eficiencias de la turbina 𝜂𝑖𝑛𝑡 9.08 % 𝜂𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑎 131.21 % 𝜂𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 11.91% Eficiencias del ciclo 𝜂𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 16.032 % 𝜂𝑇é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 1.457 % Análisis de resultados: Algo a considerar son las presiones, ya que en la turbina y la caldera fueron presiones manométricas, mientras que en el condensador la presión fue vacuométrica, y para entrar a tablas se necesita la presión absoluta. La importancia de la medición correcta de datos es fundamental para el proceso de cálculos, ya que asumo que la presión en el condensador fue un poco alta, por lo que las eficiencias no fueron del todo las esperadas. Hago hincapié a esto debido a la eficiencia mecánica que se obtuvo como resultado, siendo mayor al 100%. Sin embargo, la eficiencia total resultó considerable. Las eficiencias del ciclo Rankine, de acuerdo a los resultados obtenidos, mantienen una relación considerable, ya que la eficiencia teórica es mayor a la eficiencia térmica Conclusiones: Con esta práctica comprendimos el funcionamiento del ciclo Rankine, en esta ocasión analizamos uno de sus componentes como fue el caso de la turbina, de está logramos obtener su eficiencia total, para esto primero obtuvimos la eficiencia interna y la mecánica. Pudimos observar y aprender que el ciclo Rankine es un ciclo termodinámico en el que se relaciona el consumo de calor con la producción de trabajo. Este ciclo se concibe como un recurso para emplear las características del agua como fluido de trabajo y manejar el cambio de fase entre el líquido y vapor. Al igual que vimos las formas de aumentar su eficiencia de una forma eficaz. Anexo: Diagrama del ciclo Rankine en el laboratorio Bibliografía: → Angel Arauz, “Ciclo Rankine (Simple, Sobrecalentamiento y Regenerativo)”, http://utptermodinamica2.blogspot.mx/2013/11/ciclo-rankine-simple- sobrecalentamiento.html → Cengel, Yunus A. Boles, Michael A. Termodinámica. Octava edición. México 2015. → Entalpías calculadas con: https://www.steamtablesonline.com/Steam97Web.aspx?lang=es → Ing. Caracciolo Gómez, “Ciclo Rankine”, https://conversionenergiaunefm.files.wordpress.com/2009/05/guia-ciclo-rankine-iii-09.pdf
