Una de las aplicaciones más valiosas de la Termodinámica es la producción de potencia eléctrica a partir del uso de plantas que funcionan mediante un ciclo de potencia de vapor, las cuales utilizan agua como fluido de trabajo, que se evapora y condensa alternadamente.
Para todo ingeniero eléctrico y mecánico es de suma importancia la comprensión del funcionamiento de estos ciclos, pues en la actualidad las plantas de potencia que utilizan vapor son las más utilizadas a nivel mundial, las cuales trabajan, básicamente, bajo el mismo ciclo, sin importar el tipo de fuente de energía (combustión de combustibles fósiles -carbón, gas o petróleo-, de la fisión nuclear en un reactor o alguna fuente alternativa de energía renovable...)
Un ciclo de potencia eléctrica actual a gran escala resulta muy complejo en cuanto a los flujos de masa y de energía. Para simplificar la naturaleza de estos ciclos se estudian en profundidad, tomando como referencia modelos sencillos que contienen procesos idealizados. La importancia de los mismos radica en nos brindan información cualitativa muy importante sobre los diversos aspectos que afectan el funcionamiento del ciclo. Es en este punto donde surgen los CICLOS RANKINE, como modelos ideales para las centrales eléctricas de vapor.
A continuación, se presentan tópicos generales sobre las plantas de vapor, el modelado de estos sistemas como CICLOS RANKINE y un desglose de la función realizada por cada equipo que lo conforma; además del balance de energía correspondiente a cada uno, realizando las suposiciones correspondientes al análisis de los mismos, como dispositivos de flujo estable y estado estable (f.e.e.e). (ver también Blog Termociclos Virtual- Ciclo Rankine Simple)
En el último punto, analizamos la eficiencia de este ciclo y como antes se ha estudiado, esta eficiencia está condicionada por la segunda ley de la termodinámica que restringe el valor máximo de eficiencia que podemos obtener, la cual comúnmente es conocida como eficiencia de Carnot. Ahora bien, ¿será posible realizar cambios en nuestro sistemas de tal forma que podamos elevar el valor de eficiencia obtenido a un valor más cercano al de Carnot y que aumenten sus viabilidad práctica? Pues veamos algunas opciones...
Ciclo Rankine Simple por Itamar Harris
En el último punto, analizamos la eficiencia de este ciclo y como antes se ha estudiado, esta eficiencia está condicionada por la segunda ley de la termodinámica que restringe el valor máximo de eficiencia que podemos obtener, la cual comúnmente es conocida como eficiencia de Carnot. Ahora bien, ¿será posible realizar cambios en nuestro sistemas de tal forma que podamos elevar el valor de eficiencia obtenido a un valor más cercano al de Carnot y que aumenten sus viabilidad práctica? Pues veamos algunas opciones...
- Reducción de la presión del condensador: En este procedimiento se disminuye automáticamente la temperatura del condensador otorgando un mayor trabajo a la turbina y una disminución del calor rechazado. La desventaja es que la humedad del vapor empieza a aumentar ocasionando erosión en los álabes de la turbina.
- Aumentar la presión de la caldera para una temperatura fija: Al aumentar la presión aumenta la temperatura a la cual se añade calor aumentando el rendimiento de la turbina por ende la del ciclo. La desventaja es la humedad excesiva que aparece.
- Sobrecalentar más el vapor a la entrada de la turbina: se procede a recalentar el vapor a altas temperaturas para obtener un mayor trabajo de la turbina, tiene como ventaja que la humedad disminuye. Este aumento de la temperatura está limitado por los materiales a soportar altas temperaturas.
- Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansión. Esto es, tener varias etapas de la turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento mediante recalentadores (Moisture Steam Reheaters en el caso de centrales nucleares) y de un economizador. Este escalonamiento de la expansión da lugar a los cuerpos de alta, media y baja presión de turbina.
- Realizar extracciones de vapor en la turbina, calentando el agua de alimentación a la caldera, aumentando su entalpía. El número de extracciones no suele superar las 7, ya que no implicaría una mejora de rendimiento considerable frente a la complicación técnica que conllevan.
En la práctica, es común utilizar los últimos 2 métodos mencionados, debido a los beneficios que presentan. A continuación, se presenta el análisis termodinámico de estas 2 mejoras y posibles configuraciones...
Ciclo Rankine con Recalentamiento por Itamar Harris
Ciclo Rankine Regenerativo por Itamar Harris
Luego de este estudio general, echemos un vistazo a:
- Tipos de Turbinas utilizadas en una planta de Vapor
- Calderas: Generalidades y tipos.
- Condensador: Sistema de Enfriamiento para una Planta de Vapor
