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Calculadores energéticos y artículos sobre el uso de la energía, su eficiencia e impacto sobre el medio ambente. Aplicaciones prácticas Biblioteca - ISSN 2326-6880 |
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El Ciclo Rankine. Indicadores de eficiencia.
Agradeceremos nos haga llegar su opinión sobre el uso de este procesador y si le ha sido útil su contenido Objetivos.Ciclo Rankine.Principales indicadores energéticos del ciclo Rankine. En esta página además de explicar el funcionamiento del Ciclo Rankine, se aplican los conocimientos anteriores a dos ejemplos donde ocurren procesos de expansión térmica, donde respectivamente son calculadas las variables termodinámicas para cuantificar el trabajo mecánico obtenido y la eficiencia resultante. Ciclo Rankine. El Ciclo Rankine es un ciclo cerrado, donde el caloportador es el vapor de agua. Se representa en un diagrama donde los ejes son la temperatura y la entropía. En este diagrama cada sección o etapa del ciclo representada se corresponde con uno de los procesos que ocurren en cada uno de los equipos que componen el sistema energético de la Planta Térmica. Por ello hay una relación entre las etapas del ciclo en el diagrama y los equipos donde se realiza el proceso termoenergético. Primero definiremos los parámetros o variables de estado dentro del ciclo Rankine para diferentes puntos ubicados en los equipos fundamentales que forman el proceso cíclico. Punto 1. Toma de presión y temperatura a la salida del generador de vapor. En este punto el fluido portador tiene la energía interna mayor y por lo tanto su temperatura y presión también coincidirán con los valores mayores de todo el ciclo. Punto 2, lectura tomadas a la salida de la máquina de expansión. Punto3, toma de datos en el condensador. Punto 4, lecturas a la entrada del generador de vapor. Si establecemos que el ciclo se comporta idealmente, sin pérdidas naturales obligadas, la eficiencia se puede reportar como la relación entre el trabajo de expansión, medido por la diferencia de entalpía entre el punto 1 y 2 y el calor absorbido en el generador de vapor, que no es más que la diferencia entre la entalpía del vapor recalentado a la salida del generador de vapor, punto 1, y la entalpía del líquido a la entrada del generador punto 4. Este valor es muy próximo a la entalpía a la salida del condensador, punto 3 y se asumirá igual. Por lo general el agua de alimentación es bombeada para poder elevar su presión hasta el valor de operación del generador de vapor y en el sistema ideal que se ha planteado, este trabajo sobre el flujo del portador energético no será considerado. Entonces la eficiencia se reporta por:
donde h1-h2 es el trabajo ideal (isentrópico) de expansión y
h3 la entalpía del liquido condensado a la presión del condensador que la hemos igualado a la entalpía en el punto 4.
Para poder calcular la entalpía a la presión que el vapor es expulsado de la máquina, considerando vapor mezclado, húmedo, se realiza un balance de entropía entre el punto de entrada a la máquina de expansión (punto 1) y la salida (punto 2) , considerando que el proceso ocurre isentrópicamente. Conocida la entropía del vapor a la entrada de la máquina sg1 (punto 1) se iguala al valor de la entropía a la presión de escape (punto 2) que a su vez está en función de la fracción de vapor y del líquido en la mezcla. Este valor a su vez, será igual al valor entrópico del vapor saturado a la presión de escape sg2 menos el factor que resulta de multiplicar la entropía del cambio de estado liq - vap. a la misma presión sfg2 por la fracción del líquido presente en el vapor. La igualdad nos permite despejar la incógnita fracción del líquido y2. Una vez conocida la fracción del líquido y el vapor en la mezcla se procede a calcular los parámetros termodinámicos del vapor en la zona de mezcla. Los cálculos y sus ecuaciones, se muestran a continuación:
Ejemplificando la utilización del Calculador Vapor Recalentado, se planteará la situación que sigue, ahora graficando el Ciclo Rankine donde se fijan los parámetros de operación, en un diagrama temperatura-entropía.  El Diagrama TS anterior representa los procesos de un ciclo Rankine, considerando el vapor de entrada a la expansión en la zona recalentada, a una presión de 160 psia y 400 ºF. El Diagrama TS muestra la diferencia entre un proceso isentrópico (puntos 1 - 2) y un proceso irreversible (puntos 1 - 2') donde la entropía a la presión de escape es mayor en 2' respecto a 2. Se ve claramente como la entalpía en el punto 1 a la entrada de la expansión es idéntica para ambos procesos, el isentrópico y el irreversible o real. En este ciclo Rankine circula un flujo de 21.8 lb/hp-h que se convierten en trabajo. La siguiente Tabla resume los parámetros de operación en los puntos de toma de datos del sistema.
Para determinar las variables de estado del vapor de agua a la salida de la expansión irreversible (punto 2') se necesitará contar con una información extra, el flujo de vapor de agua que circula a través de la máquina de expansión por cada hp-h entregado. Por supuesto será mucho mayor que el flujo ideal calculado por la relación 2544/Wideal. Conocido el flujo de vapor en lb/hp-h, que cumple con las condiciones termodinámicas en el punto 1, se calculará la cantidad de energía , en Btu/lb que este flujo transformará en trabajo Wreal al expansionarse en la máquina térmica, que por lógica, este trabajo será menor que el trabajo realizado en la expansión isentópica o ideal. Entonces, como h1 es idéntica en ambos procesos, el ideal y el real, se pueden plantear un balance de entalpía y calcular la calidad del vapor en el punto 2'. Principales indicadores energéticos del ciclo. La Tabla que sigue resume tanto las ecuaciones como los Principales indicadores energéticos del Ciclo.
Para llegar a determinar el trabajo útil, deben considerarse todas las pérdidas que reducen la cifra del trabajo real respecto al trabajo ideal. Hay otros conceptos que en la práctica están presentes y que tienen que ser contabilizados para llegar a obtener la cifra de energía que se convertirá en trabajo útil. Conocemos por trabajo útil (Wutil) la fuente energética que al final brinda un servicio determinado en beneficio del uso humano. Entre los factores a contabilizar están el rendimiento mecánico de la máquina, que por lo general se encuentra en cifras entre 0.9 y menores, dependiendo de la utilización de la capacidad instalada, del estado técnico de la máquina térmica, de factores externos, como pueden ser las temperaturas en los locales donde opera la maquinaria, temperaturas de enfriamiento y otros.
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