Ciclos Termodinámicos, Termodinámicos, Introducción del ciclo Rankine, Carlos Rubiano Matoma (2126791)
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I+TR-.CCI+ / CIC/ R+0I+ (C. Rubiano Matoma) (Recibido 13 de Ma$o de 2415 !robado 13 de Ma$o de 2415)
Resumen. !artir del ciclo ideal del rankine se des"losaran una serie de t#rminos $ conce!tos, además de %acer el análisis de balance de ener"ia $ del com!ortamiento &ue !resenta el ciclo rankine, se tomara mu$ en cuenta la !arte de cómo esta actualmente en la industria $ &ue !rocesos están utili'ando las em!resas !ara o!timi'ar el !roceso a niel ener"#tico $ económico
Índice Índice de Término Términos. s. Ciclo rankine ideal, balance de energia, producción de potencia, Ciclo Rankine orgán orgánico ico,, Biomas Biomasa, a, Efcien Efciencia cia,, Turbina urbinas, s, análi análisis sis económico y energético.
Introducción al ciclo rankine El ciclo ciclo de Rankine Rankine es un ciclo termodinámico termodinámico que que tiene como obeti!o la con!ersión de calor en calor en trabao, trabao, constituyendo lo que se denomina un ciclo un ciclo de potencia"#$. potencia "#$. %ebe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y ingeniero y &'sico &'sico escocés (illia (illiam m )o*n +acquor +acquorn n Rankine Rankine "#$. El ciclo ciclo Ranki Rankine, ne, el cual cual es el ciclo ciclo ideal ideal para para las centrales eléctricas de !apor. El ciclo Rankine ideal no incluye incluye ninguna ninguna irre!ers irre!ersibil ibilidad idad interna interna y está compuesto de los siguientes cuatro procesos "#$ #- Compresión isentrópica en una bomba -/ 0dición de calor a presión constante en una caldera /-1 E2pansión isentrópica en una turbina 1-# Rec*a3o de calor a presión constante en un condensador
*
4igura 5#6 Ciclo Básico de Rankine "#$
Consideraciones Consideraciones del ciclo "#$
El agua entra a la bomba en el estado # como l'quido saturado. 7a temperatura del agua aumenta un poco durante este proceso de compresión. compresión. El agua agua entr entra a a la cald calder era a como como l'qu l'quid ido o comprimido comprimido en el estado . El agua 8ale como !apor sobrecalentado en el estado /. En el estado 1 el !apor es por lo general un !apor *9medo con una alta calidad. El !apor sale del condensador como l'quido saturado y entra a la bomba.
ANALISIS DE ENERGIA DEL CICLO RANINE.
Ciclos Termodinámicos, Introducción del ciclo Rankine, Carlos Rubiano Matoma (2126791)
!i"ura#$% & Ciclo Rankine Dise'ado en C(cle)ad
Com)aración del ciclo real idealiado "#$ IRRE/ERSI0ILIDADES
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8e !uede %acer la %omolo"acion del trabao de la bomba a !artir de la si"uiente relacion , sabiendo &ue es un !rocesos isentro!ico
(1:)
con
el
2
ciclo
7a &ricción del :uido Ca'da de presión en los tubos conectores El agua debe bombearse a una presión más alta. ;érdida de calor del !apor *acia los alrededores. En los condensadores, el l'quido suele suben&riarse para e!itar el inicio de la ca!itación. 7a potencia consumida por equipos au2iliares.
(13)
En la parte de energ'a de entrada como de salida tenemos
Cuando se *abla de ciclos reales se debe tener en cuenta que los equipos que consumen y producen trabao tendrán una efciencia isotrópica defnida 5<-#<<=6, puesto que las temperaturas calculadas en el ciclo ideal son a tra!és de una trayectoria isentrópica y es necesario considerar las temperaturas reales del ciclo para poder defnir la efciencia real del ciclo.
(15) (16) /a entre"a de trabao !or la !arte de la turbina es de;inida !or
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%e donde la efciencia térmica para el ciclo Rankine está defnida por
(1<)
El dia"rama T*S Rankine
del ciclo ideal del Ciclo
!i"ura#1% & E2)ansión Isentro)ica "#$ 7a E2pansión isentropica está en &unción de la efciencia isentropica y está defnida por
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7a compresión isentropica está defnida de la siguiente manera
!i"ura#+% & Ciclo Rankine Dia"rama T*S ,C(cle)ad-
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:
!i"ura#4% & Eta)as ( e5ui)os necesarios )ara ORC"1$
!i"ura#6% & Dia"rama T*S ORC "1$ !i"ura#3% & Com)resión Isentro)ica "#$
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Teniendo en cuenta lo anterior, la efciencia de la turbina tiene un papel cla!e en la optimi3ación del dise>o de ciclos Rankine orgánicos"$, el cual se caracteri3a por utili3ar un medio orgánico de trabao ? tales como *idrocarburos iso @ pentano , isooctano , tolueno o aceite de siliconaA con propiedades termodinámicas &a!orables a temperaturas y presiones más baas en lugar de agua ,además de que las temperaturas del ciclo serán más baas, por lo cual no se necesita una &uerte &uente de calor, sino una de !alores intermedios "$. tra caracter'stica que tiene este ciclo es que manea temperaturas de < a /<< Dc, debido a las mismas propiedades del aceite orgánico, porque en la e2pansión esta no conduce donde está el !apor *9medo sino se queda en la 3ona de !apor sobrecalentado "/$.
;uesto que no se requiere una caldera de !apor, los costes de in!ersión y mantenimiento son considerablemente menores que en plantas de !apor"/$. tra !entaa &rente a las turbinas de !apor con!encionales es la posibilidad de operar a cargas parciales en un rango entre el /<= y el #<<= de plena carga. 7os RC son bien conocidos para aplicaciones geotérmicas "$ ;ara incrementar la efciencia "1$ puede utili3arse un regenerador entre la turbina y el condensador para precalentar el aceite orgánico. 0demás, puede utili3arse un economi3ador para recuperar el calor de los gases de escape de la caldera. Fracias a las baas temperaturas, el aceite orgánico puede calentarse directamente en una caldera.
/enta7as del ORC& •
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7a !alori3ación en electricidad de &uentes de calor temperatura baa a partir de as potencia. Gna fabilidad más grande el empleo de :uidos *9medos, cuyo descanso amás genera goteo y limita pues los riesgos de corrosión de la turbina.
ACT8AL9ENTE CO9O ES EL :ROCESO DE RANINE El !apor de agua es el :uido de trabao usado más com9nmente en ciclos de potencia de !apor debido a sus muc*as y atracti!as caracter'sticas, como bao costo, disponibilidad y alta entalp'a de !apori3ación"#$. ;or consiguiente, este ciclo se emplea muc*o en centrales eléctricas de !apor, las cuales normalmente son llamadas centrales carboeléctricas, centrales nucleoeléctricas o centrales eléctricas de gas natural, seg9n el tipo de
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combustible que empleen para suministrar calor al !apor"#$
!i"ura#<% &enertime= !rancia "J$
;ero gracias a la utili3ación del RC, la utili3ación de :uidos de trabaos di&erentes del agua, parece ser una estrategia ganadora también desde el punto de !ista económico, sobre todo para las naciones, como Htalia, &uertemente dependiente de los combustibles &ósiles importados. 0demás, el desarrollo y la meora de un sector producti!o nacional relacionado con la efciencia energética pueden cargar a nue!as estrategias energéticas. En muc*os pa'ses, la promoción de la utili3ación de recursos reno!ables se considera uno de los puntos principales para alcan3ar el obeti!o de reducir las emisiones de gases y optimi3ación de generación de energ'a limpia."I$
Al"unas ;ormas de o)timiar el )roceso Como se plantea la utili3ación de energia geotérmica es muy utili3ada, debido a que se encuentra a unos cuentos metros sobre nosotros, pero también está en estudio la consideración de la utili3ación de la biomasa para meorar el rendimiento del ciclo además de ser un combustible más limpio."$ 7a !entaa de la biomasa tiene un marco amplio de aplicaciones en la industria pero toda!'a no es el tope má2imo de las empresas, debido a que muy pocas la utili3an , pero es muy aplicada en cogeneración"J$. ;ara algunas proyecciones a &uturo "$ se busca implementar !arias nue!as integraciones *'bridos de energ'a ?CK;A impulsados por agua geotérmica de baa temperatura combinada de calor. En este caso, la ra3ón principal es la optimi3ación de la utili3ación de la &uente de calor en el !apor de la promoción de la potencia de salida neta del ciclo Rankine orgánico ?RCA como planta de energ'a que operan en los modelos de cogeneración de las !ariedades de parámetros de calentamiento de la planta. tra &orma de optimi3ar el RC es por medio de %ió2ido de nitrógeno?L<A y %ió2ido de carbono ?CA, no es muy utili3ada, actualmente está en estado de prueba por Enertime"J$ ?empresa inno!adora que trabaa con energia reno!able y manea RC, 4ranciaA.
8eg9n el estudio que *a *ec*o Enertime, el L es meor en términos de potencia neta, efciencia y L &unciona presiones muc*o más baas en un &uncionamiento óptimoM mientras que, el C es !entaosa en términos de tama>o de la turbina, relación de e2pansión y el requisito de trans&erencia de calor "N$ El 9nico problema que se *a encontrado es que *ay una necesidad de equilibrio para la utili3ación de ellos para poder as' optimi3ar el proceso lo más que se pueda "N$. Con el aumento de la ele!ación de temperatura del ciclo, la turbina será un requisito esencial para la e2pansión. 0demás de mayores de bombas y turbinas con efciencias isotrópicas producen mayor presión óptima en la entrada de la turbina, y la menor necesidad de transporte de calor. Gsos de intercambiador de calor interno y recalentamiento en el ciclo Rankine no sólo meoran el rendimiento, sino que también constituye un e2celente compromiso entre di!ersos indicadores de rendimiento basados optimi3aciones, lo cual abre muc*as puertas a energ'as alternati!as con amplia gama de desarrollo en el &uturo de las industrias generadoras de energia"J$.
:ro(ecciones a ;uturo e idealiaciones. En base a la parte *'brida se busca proyección en sistemas de multi-generacion en energ'as reno!ables *aciendo uso de dos &uentes de energ'a"#<$, la biomasa y la geotérmica reno!able, se combinan para o&recer cinco salidas 9tiles para aplicaciones residenciales. 7os productos energéticos de &uentes de biomasa se utili3an para conducir un ciclo orgánico de Rankine y una máquina de absorción de !apor y !ol!erse a utili3ar para secar el material *9medo en un secador industrial. Gn sistema de doble :as* se utili3a en el ciclo de energ'a geotérmica, que incluye una turbina de !apor de m9ltiples etapas. 4luos de salida de agua de los separadores y la turbina de !apor se utili3an para el agua utili3ada en los *ogares calentar.
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