El ciclo Rankine mejorado

1. El ciclo Rankine mejorado Elevación de la temperatura promedio de la adición de calor

2. Panorama • El ciclo Rankine con recalentamiento • Ejemplos

3. El ciclo Rankine con recalentamiento...

4. Suponga un ciclo de Carnot que opera entre dos tempepraturas fijas, como se ilustra. T 2 3 1 4 s Un ciclo hipotético de potencia de vapor

5. T 3 TH,2 2 TH,1 4 1 s El supercalentamiento del fluido de trabajo eleva la temperatura promedio de la adición de calor. Un ciclo hipotético de potencia de vapor con supercalentamiento

6. b T a c d s El supercalentamiento del fluido de trabajo eleva la temperatura promedio con un almacenamiento a temperatura más elevada. Ciclo hipotético de potencia de vapor: el ciclo Rankine con supercalentamiento

7. p1 p2 b T d a c e f s La expansión adicional por medio del recalentamiento al estado “d” permite una entalpía mayor por liberarse entre los estados “c” a “e”. El ciclo Rankine con recalentamiento

8. QH b a d c WFUERA QOUT f e Recalentamiento en una etapa. Se produce trabajo en ambas turbinas. WENTRA QC El ciclo de recalentamiento

9. Eficiencia del ciclo de recalentamiento (1)

10. Ejemplo 1

11. T p1 a b T1 a b T1 p2 T2 c d T2 d c s Ejemplo 1: un ciclo de Carnot Para comenzar el análisis de las operaciones del ciclo Rankine, considere un ciclo de Carnot estable (a-b-c-d-a) cuyo fluido de trabajo es agua que opera entre límites dados de temperatura, según se muestra. Los datos que se dan son la presión de la caldera, de 500 psi (pa = 500 psi) y la temperatura del condensador, de 70o F (Tc = 70o F). Determine trabajo de salida, eficiencia térmica, irreversibilidad y razón de trabajo.

12. Ejemplo 1: datos que se brindan

13. Ejemplo 1: datos que se calculan

14. c-d -432 0 -432 -0.8147 -0.8147 0 d-a 107 -107 0 0 0 0 Net 0 323 323 0 0 0 Ejemplo 1: cantidades del proceso D d d D d s Proceso H W Q S Q/T s BTU/lbm BTU/lbm BTU/lbm BTU/ BTU/lbm- BTU/ lbm-R R lbm-R a-b 755 0 755 0.8147 0.8147 0 b-c -430 430 0 0 0 0 Las cantidades del proceso se obtuvieron con la primera ley parasistemas abiertos, suponiendo que los efectos de las EC y EP sondespreciables. La producción de entropia se obtuvo de un balancede entropia para un sistema abierto. Obsérvese que el calor cíclicoiguala al trabajo cíclico como lo exige la primera ley, y que laproducción de entropia es cero, como lo requiere la igualdadde Clausius.

15. Ejemplo 1: eficiencia térmica y razón de trabajo en reversa Eficiencia térmica Razón de trabajo

16. Ejemplo 2

17. T pa b T1 a pd T2 d c s Ejemplo 2: ciclo Rankine sin supercalentamiento Un ciclo Rankine con agua como fluido de trabajo opera entre los mismos límites que en el Ejemplo 1, pa = 500 psi y temperatura de condensación de 70o F. Si se supone que todos los procesos son internamente reversibles, determine el trabajo de salida, la eficiencia, la producción de entropía y la razón de trabajo.

18. Ejemplo 2: datos que se calculan

19. D d d D d s Proceso H W Q S Q/T s BTU/lbm BTU/lbm BTU/lbm BTU/ BTU/lbm- BTU/ lbm-R R lbm-R a-b 1164.5 0 1164.5 1.3889 1.3889 0 b-c -430 430 0 0 0 0 c-d -736 0 -736 -1.3889 -1.3889 0 d-a 1.5 -1.5 0 0 0 0 Net 0 428.5 428.5 0 0 0 Trabajo de salida = 428.5 BTU/lbm Eficiencia térmica = 36.8% Razón de trabajo = 0.0035 Producción de entropía = 0 Ejemplo 2: cantidades del proceso

20. Ejemplo 3

21. Un ciclo Rankine opera entre los límites anteriores, y tiene eficiencias de la bomba y turbina de 80%. Determine el trabajo de salida, la eficiencia, la razón de trabajo y la producción de entropía. Suponga que las temperaturas de condensación y ambiental son las mismas. T pa T1 b a a’ pd T2 c’ c d s Ejemplo 3: efecto de la irreversibilidad en la turbina y la bomba

22. Los estados en a’ y c’ se determinan por medio de la primera ley para un sistema abierto, y la definición de eficiencia isentrópica para turbinas y bomas, según corresponda. Ejemplo 3: datos que se calculan

23. Ejemplo 3: cantidades del proceso Los procesos isentrópicos se determinan antes de los procesos reales, en los que está involucrada la irreversibilidad. Trabajo de salida = 342 BTU/lbm Eficiencia térmica = 29.4% Razón de trabajo = 0.0054 Producción de entropía = 0.1636 BTU/lbm-R

24. Ejemplo 3: comparación

25. Ejemplo 4

26. Un ciclo Rankine internamente reversible se determina con la especificación de una temperatura máxima de 800o F, una calidad en la descarga de la turbina de 0.9, y temperatura de condensación mínima de 70oF. Compare la eficiencia térmica con la de un ciclo de Carnot que opera entre los mismos límites de temperatura. b pa T a d c pd s Ejemplo 4: supercalentamiento

27. Ejemplo 4: los datos que se dany los que se calculan

28. Eficiencia térmica Eficiencia de Carnot Ejemplo 4: eficiencia térmica

29. Ejemplo 5

30. pa pc b T d a c f e s Ejemplo 5: el ciclo de recalentamiento

31. El estado en “c” tiene la misma presión que se especifica en el Ejemplo 4. Esto determina al estado “b”. El estado “a” lo determina la aproximación habitual para un líquido incompresible que pasapor el proceso f-a. Ejemplo 5: los datos que se dany los que se calculan

32. Trabajo de salida = 701 BTU/lbm Eficiencia térmica = 701/(1315+336) = 0.424 Eficiencia de Carnot = 1-(530/1260) = 0.579 Ejemplo 5: cantidades del proceso

33. Ejemplo 6

34. 0.3 0.28 0.26 h 0.24 0.22 0.2 300 350 400 450 500 550 600 650 700 P (psia) superior Variación de la (primera ley) eficiencia del ciclo con variación de la presión de la adición de calor en un ciclo Rankine básico sin supercalentamiento. La presión del condensador se supuso de 14 psia.

35. 3 6 T p2 2 pmedia 5 4 1 s

36. 0.3 0.28 0.26 h 0.24 Psup = 400 psia 0.22 Psup = 500 psia Psup = 600 psia 0.2 0 100 200 300 400 500 600 P (psia) media La variación de la eficiencia del ciclo Rankine con una etapa de recalentamiento como función de la presión a la cual se realiza. Psup es la presión de la adición de calor a alta temperatura.

37. Fin del ciclo Rankine mejorado

38. Términos y conceptos clave Eficiencia del ciclo Ciclo Rankine con recalentamiento Ciclo Rankine con regeneración Razón de trabajo