CAPITULO 9
CICLO RANKINE DE
POTENCIA
MEDIANTE VAPOR
OBJETIVO:
 Analizar ciclos de Potencia de vapor en los
cuales el fluido de trabajo se evapora y condensa
alternadamente.
 Analizar el ciclo básico de potencia de vapor
Rankine para incrementar la eficiencia térmica del
ciclo.
9.1 INTRODUCCIÓN
La mayoría de las centrales generadoras de
electricidad son variaciones de ciclos de
potencia de vapor en los que el agua es el
fluido de trabajo. En la figura 1 se muestra
esquemáticamente los componentes básicos
de una central térmica de vapor simplificada.
El vapor es el fluido de trabajo usado más
comúnmente en ciclos de potencia de vapor
debidas a las muchas y atractivas
características,
como
bajo
costo,
disponibilidad y alta entalpia de vaporización.
9.2 Ciclo Rankine de potencia
Todos los fundamentos necesarios para el
análisis termodinámico de los sistemas de
generación de energía eléctrica, como el
principio de conservación de la masa y de
la energía, el segundo principio de la
termodinámica y la determinación de
propiedades termodinámicas.
9.2 Ciclo Rankine de potencia

Estos principios
pueden aplicarse a
los componentes
individuales de una
planta tales como
Turbina, bombas,
intercambiadores de
calor, así como al
conjunto de la central
eléctrica por
complicada que sea.
9.3 El ciclo Rankine ideal
El fluido de trabajo sufre la siguiente serie
de procesos internamente reversibles:
9.3 El ciclo Rankine ideal
Proceso 1-2: expansión isentrópica
del fluido de trabajo a través de la
turbina desde vapor saturado en el
estado 1 hasta la presión del
condensador.
Proceso 2-3: Transferencia de calor
desde el fluido de trabajo cuando
fluye a presión constante por el
condensador, siendo líquido en el
estado 3.
9.3 El ciclo Rankine ideal
Proceso 3-4: Compresión
isentrópica en la bomba hasta
el estado 4 dentro de la zona
de líquido.
Proceso 4-1: Transferencia de
calor hacia el fluido de trabajo
cuando circula a presión
constante a través de la
caldera, completándose el
ciclo.
9.4 Principales irreversibilidades
Turbina . La principal irreversibilidad que experimenta el
fluido de trabajo está asociada con la expansión en la
turbina. El calor transferido al ambiente por la turbina
representa una perdida, la expansión real a través de
la turbina va acompañada de un incremento de
entropía.
El rendimiento de la turbina relaciona el trabajo real con
el trabajo isentrópico.
T 
h1  h 2
h1  h 2 s
9.4 Principales irreversibilidades
Bomba. El trabajo requerido para la bomba, para vencer
los efectos del rozamiento, también reduce el trabajo
neto producido por la planta.
El rendimiento isentrópico de la bomba toma en cuenta
el efecto de las irreversibilidades dentro de la bomba
relacionando las cantidades de trabajo real e
isentrópico.
B 
h 4 S  h3
h 4  h3
Diagrama temperatura-entropía
que muestra los efectos de las
irreversibilidades en la turbina y
bomba
9.5 El ciclo con sobrecalentamiento
El rendimiento del ciclo
Rankine ideal se puede
aumentar utilizando una
zona de
sobrecalentamiento. Este
proceso eleva la
temperatura media a la
que el ciclo recibe calor,
aumentando teóricamente
el rendimiento.
9.5.1 El ciclo Rankine ideal con
recalentamiento
Una segunda modificación que se emplea
normalmente en centrales térmicas de
vapor es el recalentamiento. Con
recalentamiento una central térmica puede
beneficiarse del mayor rendimiento que
resulta de una presión de caldera mas
alta y también evitar el vapor de bajo título
a la salida de la turbina.
Ejemplo
En un ciclo Rankine con sobrecalentamiento y
recalentamiento se utiliza vapor de agua como
fluido de trabajo. El vapor entra en la primera
etapa de la turbina a 8,0 MPa, 480 ºC y se
expande hasta 0,7 MPa. Este se recalienta
entonces hasta 440 ºC antes de entrar en la
segunda etapa de la Turbina, donde se expande
hasta la presión del condensador de 0,008 MPa.
La potencia neta obtenida es 100 MW.
Determinese:
(a) El rendimiento térmico del ciclo.
(b) El flujo másico de vapor, en kg/h.
(c) El flujo de calor Qs cedido por el vapor en el
condensador, en MW.
Consideraciones
1.
2.
3.
4.
5.
Cada componente del ciclo se analiza
como un volumen de control en estado
estacionario.
Todos los procesos del fluido de trabajo
son internamente reversibles.
La turbina y la bomba operan
adiabáticamente.
El condensado sale del condensador
como líquido saturado.
Las energías cinética y potencial son
despreciables.
SOLUCIÓN
DATOS
P1 =8 Mpa
T1 = 480 º C
P2 = 0.7 Mpa
T2 = 440 ºC
P3 = 0,008 Mpa
Potencia = 100 MW
De tablas de vapor de agua.
h1=3348,4 kJ/kg
S1= 6,6586 kJ/kgºK
Sf2 = 1,9922 kJ/kgºK
Sg2 = 6,708 kJ/kgºK
hf = 697,22 kJ/kg
hfg = 2066,3 kJ/kg
h3= 3353,3 kJ/kg
S3 = 7,7571 kJ/kgºK
Formulación de ecuaciones
Rendimiento
 
W neto
Q sum
La potencia neta desarrollada
Pneta=m(Wneto)
Respuestas
Rendimiento =40,3 %
m = 2,363x105 kg/h
CICLO DE POTENCIA
REGENERATIVO
Vamos a considerar cómo puede realizarse
la regeneración utilizando un calentador
abierto de agua de alimentación, que
consiste en un intercambiador de calor de
contacto directo en el cual las corrientes a
diferentes temperaturas se mezclan para
dar una corriente a una temperatura
intermedia.
Análisis del ciclo
Un primer paso importante en el análisis del ciclo
regenerativo es el cálculo de las relaciones entre
flujos másicos en cada uno de los componentes.
m 2  m 3  m 1
Donde m1 es el flujo másico que entra en la primera
etapa de la turbina en el estado 1, m2 es el flujo
másico extraído en el estado 2, y m3 es el flujo
másico que sale de la segunda etapa de la
turbina en el estado 3. Dividiendo por m1, queda:
m 2
m 1

m 3
m 1
1
y
m 2
m 1
Fracción
de masa
m 3
m 1
 1 y
Análisis del ciclo
La fracción (y) se puede determinar aplicando los
principios de conservación de masa y energía al
volumen de control que define el calentador de
agua de alimentación. Asumiendo que no hay
transferencia de calor entre el calentador y su
entorno e ignorando los efectos de energía
cinética y potencial. Tendremos.
y
h6  h5
h 2  h5
El trabajo total de la turbina se
expresa:
W t   h1  h 2   1  y  h 2  h 3 
W b   h 7  h 6   1  y  h 5  h 4 
Q entra  h1  h 7
Q s  1  y  h 3  h 4 

Ejemplo.-Consideremos un ciclo de Potencia
regenerativo con un calentador abierto del agua de
alimentación. El vapor de agua entra en la Turbina a
8,0 MPa, a 480ºC y se expande hasta 0,7 MPa donde
parte de este vapor es extraído y enviado al calentador
abierto del agua de alimentación que opera a 0,7 MPa.
El resto del vapor se expande en la segunda etapa de
la Turbina hasta la presión del condensador de 0,008
MPa. La salida del calentador es líquido saturado a 0,7
MPa . La eficiencia isentrópica de cada etapa de la
turbina es del 85 % Si la potencia neta del ciclo es 100
MW, determinar: a) El rendimiento térmico, b) El
flujo de masa de vapor que entra en la primera etapa
de la turbina, en kg/h.
SOLUCIÓN
DATOS
P1 =8 Mpa
T1 = 480 º C
Pliq-sat = 0.7 Mpa
Pcond = 0,008 Mpa
Potencia = 100 MW
a) η
b) Flujo de masa
De tablas de vapor de agua.
h1=3348,4 kJ/kg
h2=2832,8 kJ/kg
S1= 6,6586 kJ/kgºK
S2=6,8606 kJ/kg ºK
h3=h2-ηT(h2-h3s)
h3s=2146,3 kJ/kg
h3=2249,3 kJ/kg
h4=173,88 kJ/kg
h5=h4+v4(p5-p4)
H5=174,6 kJ/kg
h7=h6+v6(p7-p6)=705,3 kJ/kg
Aplicando los balances de masa y energía al volumen de control que contiene el
calentador.
y
h 6  h5
h 2  h5

697 , 22  174 , 6
2832 ,8  174 , 6
 0 ,1966
W t   h1  h 2   1  y h 2  h3   984 , 4 kJ/kg
W b  h7  h6   1  y h5  h4   8 , 7 kJ/kg
Q entra  h1  h7  2643 ,1 kJ/kg
 
WT  Wb
Q sum
  36 ,9 %
 0 ,369
m 
Pneto
WT  Wb
 3 , 69 * 10
5
kg/h
E N D
ES DIOS
Que te habla a través del Espíritu,
 Que te escoge por medio de su hijo Jesucristo,
 Que conoce los secretos que guardas en tu corazón,
 Que toma siempre nuestros problemas en sus manos y
nos ayuda a resolverlos.
 Que está a tu lado y te acompaña con amor en el
camino de tu vida,
 Que está al frente de todo,
Fue DIOS que toco mi corazón y me hizo acordar de Tí. No
por ser una persona amigo (a) sino que eres importante
para Dios y para mi.
DIOS TE AMA MUCHÍSIMO.

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Ciclos de Potencia con vapor