ANÁLISIS TERMODINAMICO DE LOS CICLOS
DE RANKINE
Trabajo Final de Grado
Facultat de Nàutica de Barcelona
Universitat Politècnica de Catalunya
Trabajo realizado por:
Sergi Fusté Paredes
Dirigido por:
Germán de Melo Rodríguez
Grado en Tecnologías Marinas
Barcelona, 8 de Abril de 2015
Departamento de Ciencia e Ingeniería Náutica
ANÁLISIS TERMODINAMICO DE LOS CICLOS DE RANKINE
i
ANÁLISIS TERMODINAMICO DE LOS CICLOS DE RANKINE
ii
ANÁLISIS TERMODINAMICO DE LOS CICLOS DE RANKINE
iii
Agradecimientos
A Irene, por la ayuda a lo largo del proceso y el apoyo incondicional
ANÁLISIS TERMODINAMICO DE LOS CICLOS DE RANKINE
iv
ANÁLISIS TERMODINAMICO DE LOS CICLOS DE RANKINE
v
Resumen
Este proyecto final de grado tiene como objetivo general el estudio y análisis
termodinámico del ciclo de Rankine y sus modificaciones. Pretende dar un enfoque
general de los distintos parámetros que intervienen y afectan en el aumento del
rendimiento de las instalaciones que trabajen con él, así como de las variaciones del
ciclo de Rankine para instalaciones de gran potencia, como son el ciclo Rankine con
recalentamiento y el ciclo regenerativo de Rankine.
En definitiva, la finalidad de este proyecto tiene dos claros objetivos; el primero es
determinar qué parámetros afectan al aumento del rendimiento del ciclo. Y en segundo
lugar, estudiar cómo se traduce este aumento de rendimiento en ahorros de consumo
de combustible y emisiones de CO
2
.
Para la elaboración del trabajo y del cálculo de los distintos ciclos representados se ha
requerido de “Cyclepad”. Un programa informático de simulación de ciclos
termodinámicos, que ha agilizado el proceso de cálculo de los diferentes ciclos
estudiados en este proyecto.
ANÁLISIS TERMODINAMICO DE LOS CICLOS DE RANKINE
vi
Abstract
The project overall objective is the study and thermodynamic analysis about Rankine
cycle and its Modifications. This project aims to discuss the various parameters which
affecting the performance gain of this cycle. The project also examines variations
Rankine cycle for great powers, such as the Rankine cycle with reheat and regenerative
Rankine cycle.
The purpose of this project has two clear objectives: the first is to determine which
parameters affect the cycle performance increase. And secondly, to study how this
performance increase affect in fuel savings and CO2 emissions.
To prepare the work and the calculation of the various represented cycles has been
required "Cyclepad". A computer simulation of thermodynamic cycles, which has
streamlined the process of calculating the various cycles studied in this project.
ANÁLISIS TERMODINAMICO DE LOS CICLOS DE RANKINE
vii
Tabla de contenidos
Agradecimientos ................................................................................................................... iii
Resumen ................................................................................................................................ v
Abstract ................................................................................................................................ vi
Tabla de contenidos ............................................................................................................. vii
Introducción .......................................................................................................................... 1
1. El ciclo de Carnot ................................................................................................................ 3
1.1. El ciclo de Carnot con un gas perfecto ..................................................................................... 3
1.2. Rendimiento térmico de cualquier ciclo .................................................................................. 8
1.3. Rendimiento del ciclo de Carnot con gas perfecto ................................................................. 8
1.4. Rendimiento del ciclo de Carnot para una sustancia cualquiera ....................................... 10
1.5. El ciclo de Carnot con vapor de agua ..................................................................................... 11
2. El ciclo de Rankine ............................................................................................................ 13
2.1. El ciclo básico de Rankine ........................................................................................................ 13
2.2. Rendimiento térmico del ciclo Rankine ................................................................................. 15
2.3. Elevación del rendimiento del ciclo de Rankine con el aumento de la presión inicial de la
expansión .......................................................................................................................................... 16
2.4. Elevación del rendimiento del ciclo de Rankine con el aumento de la temperatura inicial
en la expansión ................................................................................................................................. 18
2.5. Elevación del rendimiento del ciclo de Rankine con la disminución de la presión final de
la expansión ...................................................................................................................................... 20
2.6. Balance energético del ciclo real y rendimientos ................................................................. 22
3. Ciclos de gran potencia .................................................................................................... 25
3.1. Ciclo de recalentamiento intermedio ..................................................................................... 25
ANÁLISIS TERMODINAMICO DE LOS CICLOS DE RANKINE
viii
3.2. Ciclo regenerativo ..................................................................................................................... 29
3.2.1. Ciclo de Ericsson.................................................................................................. 29
3.2.2. Ciclo regenerativo ideal ...................................................................................... 31
3.2.3. Cálculo de las extracciones ................................................................................. 33
3.2.4. Rendimiento del ciclo en función de la presión y el número de extracciones .... 34
3.3. Ciclo regenerativo con recalentamiento intermedio ........................................................... 37
4. Consumo de combustible .................................................................................................. 41
4.1. Estudio comparativo del ahorro de combustible en una central térmica de .. 41
5. Emisiones de ............................................................................................................ 55
Conclusiones ........................................................................................................................ 57
Bibliografía .......................................................................................................................... 61
ANEXO ................................................................................................................................. 63
Introducción
1
Introducción
La finalidad de este proyecto consiste en un estudio y análisis termodinámico
del ciclo de Rankine, así como de sus modificaciones para obtener un mayor
rendimiento. Este estudio es de gran importancia en centrales de gran potencia
y generación de energía, ya que un mínimo aumento se traduce en un gran
ahorro de combustible y emisiones de efecto invernadero.
En primer lugar se estudiará el ciclo de Carnot y la importancia que éste tiene
para nuestro estudio, ya que es el ciclo con mayor rendimiento. Para ello
veremos cómo se determina el rendimiento del ciclo y qué información nos da,
que podamos aprovechar para mejorar el ciclo de Rankine.
El análisis termodinámico del ciclo de Rankine se realizará asumiendo una
serie de hipótesis ideales y con la ayuda del programa informático Cyclepad,
con el que podremos realizar cualquier simulación de ciclo, se observará cómo
evoluciona el rendimiento en función de algunos parámetros modificados. Estos
primeros parámetros serán tanto presiones y temperaturas a la entrada de la
turbina, como presiones en el condensador. Se verá entonces cómo afectan
estos cambios tanto al rendimiento como a otros parámetros de interés, como
calidad del vapor y trabajo de la turbina.
Más adelante se estudiarán variaciones en la instalación del ciclo. Estas
variaciones consistirán en recalentamientos intermedios y extracciones de
regeneración. Se estudiará qué presiones intermedias, de recalentamiento o
extracción, determinan un mayor rendimiento para el ciclo. Además se verá
cómo el número de regeneraciones afecta al rendimiento y si existe un máximo
de éstas.
También se comparará cómo afecta un aumento del rendimiento del ciclo de
Rankine al consumo de combustible para una misma instalación y potencia
definida. Asimismo se verá cómo este consumo de combustible afecta a las
emisiones de
para distintos combustibles.
Finalmente se realizará un estudio de los resultados obtenidos para elaborar y
definir unas conclusiones claras de cómo ha tendido a evolucionar en el último
siglo la elaboración del ciclo de potencia térmica de Rankine.
ANÁLISIS TERMODINAMICO DE LOS CICLOS DE RANKINE
2
Capítulo 1. El ciclo de Carnot
3
1. El ciclo de Carnot
Para conseguir trabajo mecánico de un combustible, necesitamos la manera de
transformar el calor en trabajo. La manera más común es a través de un agente
evolutivo que suele ser agua.
El calor generado por el combustible se transfiere al agua líquida en la caldera,
este la transforma en vapor y aumenta su entalpía. El vapor se envía a la
turbomáquina, donde parte de su calor se transforma en trabajo. Después en el
condensador cambia de estado nuevamente, cediendo parte de su calor
restante al agua de refrigeración. Finalmente en estado líquido, vuelve a la
caldera para completar el ciclo.
El agua o agente evolutivo sufre un ciclo cerrado, del que debemos encontrar la
manera de aprovechar al máximo el calor del combustible. Como sabemos que
el ciclo de máximo rendimiento es el de Carnot, será el primero que
estudiaremos.
1.1. El ciclo de Carnot con un gas perfecto
El Ciclo de Carnot, representado en el plano en la figura , que puede
funcionar como sistema cerrado o como sistema de flujo en régimen
estacionario, está compuesto por dos procesos isotérmicos e internamente
reversibles y dos procesos adiabáticos e internamente reversibles.
Figura 1.1: Ciclo de Carnot para un gas perfecto en el plano .
ANÁLISIS TERMODINAMICO DE LOS CICLOS DE RANKINE
4
2-3 Expansión isotérmica,
3-4 Expansión adiabática,
4-1 Compresión isotérmica,
1-2 Compresión adiabática,
Supongamos en primer lugar que el ciclo de Carnot es realizado por un gas
perfecto. El cilindro de la figura está lleno de 1kg de gas siendo, por tanto, el
volumen limitado por las paredes del cilindro y del émbolo igual al volumen
específico en cada instante. El cilindro es perfectamente adiabático, excepto en
la culata S, que puede ponerse en contacto con depósitos que proporcionan
transferencia de calor o mantenerse adiabática.
- En la expansión isotérmica 2-3 figura : la temperatura del gas es
y la culata del cilindro está en contacto con una fuente de calor de gran
capacidad para que la temperatura
del gas se mantenga constante en
dicho proceso. Cuando el gas se expande lentamente, la temperatura
tendería a disminuir
, donde
, condición necesaria para
que el proceso sea reversible. La cantidad de calor total transferido al
gas durante el proceso 2-3 es
.
Figura 1.2: Proceso 2-3 del ciclo de Carnot para un gas perfecto en
el plano .
Capítulo 1. El ciclo de Carnot
5
- En la expansión adiabática 3-4 figura : En este caso la fuente de
calor se elimina y se aísla la culata de manera que el proceso sea
adiabático. El gas continúa expandiéndose y realiza trabajo sobre los
alrededores hasta que su temperatura disminuye hasta
. El émbolo no
experimenta fricción, de modo que el proceso es reversible y adiabático.
Tanto la expansión isotérmica 2-3 como en la adiabática 3-4, el gas
realiza trabajo exterior, siendo
Figura 1.3: Proceso 3-4 del ciclo de Carnot para un gas perfecto en
el plano .
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