UNAM

FI

LABORATORIO DE MÁQUINAS TÉRMICAS

CORONA ROMERO PABLO ARTURO

CICLO COMBINADOLa continúa búsqueda de eficiencias

térmicas más altas han originado modificaciones innovadoras en las plantas

de potencia; una de estas es el llamado Ciclo binario de vapor, que después se

analizará un poco.

Otra de estas modificaciones es por medio de un arreglo llamado ciclo

generador de potencia combinado o simplemente ciclo combinado, o

también llamado ciclo combinado gas – vapor.

¿EN QUÉ CONSISTE?El ciclo combinado se basa en la conexión

o acoplamiento de dos ciclos , donde en uno de los ciclos es de potencia de gas que remata a un ciclo de vapor, de tal

manera que el calor disipado por un ciclo se usa parcial o totalmente como la

fuente de calor del otro ciclo.

Un perfeccionamiento activo de este ciclo combinado consiste en el uso de un ciclo superior de turbina gas como lo es el ciclo

Brayton, con un ciclo de turbina de vapor de agua como lo es el ciclo Rankine.

FOTO PP762 DEL WARK

Ciclo Brayton (Ciclo Superior de Turbina de gas)

Un ciclo Brayton se compone de los siguientes elementos:• Compresor• Quemador de combustible • Turbina

En donde:• El aire que entra se comprime adiabáticamente (sin intercambio de calor) en el compresor rotatorial axial o centrifugo.• Al final de este proceso, el aire entra en la cámara de combustión (en la que el combustible suele ser combustóleo) se inyecta y se quema a presión constante.• Posteriormente los productos de la combustión se expanden al pasar por la turbina, hasta que llegan a la presión de los alrededores.

Un ciclo compuesto de estos tres pasos recibe el nombre de ciclo abierto porque el ciclo no se completa en realidad, los ciclos de las turbinas de gas real son ciclos abiertos porque continuamente se debe alimentar aire nuevo al compresor.

Si se desea examinar un ciclo cerrado, los productos de la combustión que se han expandido al pasar por la turbina deben pasar por un intercambiador de calor, en

el que se desecha el calor del gas hasta alcanzar la temperatura inicial (este intercambiador es vital en el

ciclo combinado).

FOTO PP 617 DEL WARK cerrado

En el ciclo Brayton se los procesos se realizan de la siguiente manera:1. La comprensión y expansión del gas se realizan isoentrópicamente (a entropía constante).2. Y que el suministro y extracción de calor ocurren a presión constante.

FOTO PP 618 DEL WARK T-s

EFICIENCIA DEL CICLO BRAYTON

Para concluir con el estudio del ciclo

Brayton se plantea una forma de cómo

calcular la eficiencia de dicho ciclo:

h = 1 - q salida = 1 - h4s - h1

qentrada h3 - h2s

CICLO RANKINE

FOTO PP 680 DEL WARK

1.Se realiza una compresión isentrópica en la bomba en un proceso adiabático.

2. Suministro de calor a presión constante en una caldera (generador de vapor).

3. Expansión isoentrópica (a entropía constante) en una turbina.

4. Extracción de calor a presión constante en un condensador

CICLO GENERADOR DE POTENCIA COMBINADO

(CICLO COMBINADO)Antes de comenzar el estudio del ciclo combinado se debe

considerar que:• Los ciclos de gas operan a temperaturas mucho más altas

que los ciclos de vapor.• Un ejemplo es en las plantas de potencia de turbina de

vapor donde la Tmax = 620 oC mientras que en las turbinas de gas es superior a los 1500 oC

• Se pensaría con esto que la eficiencia térmica de la turbina de vapor es más elevada, pero no es así por la que en la salida el gas de la turbina sale a muy altas temperaturas, con esto cancela cualquier ganancia potencial en la eficiencia térmica.

• Pero es aquí donde tiene importancia y utilidad el ciclo combinado, al utilizar dicha temperatura de salida de la turbina de gas en un intercambiador de calor.

¿CÓMO FUCNIONA?

Aquí se analizará un ciclo combinado gas –vapor (BRAYTON – RANKINE)

El funcionamiento básico es el siguiente:• Dentro del ciclo Brayton, en la turbina, la

corriente que sale de la turbina es relativamente caliente, por tanto esta corriente de escape de la turbina de gas se usa como la fuente de energía en la caldera dentro del ciclo Rankine, esto mediante el uso de un intercambiador de calor, colocado a la salida de la turbina en el ciclo Brayton y en la caldera en el ciclo Rankine.

A continuación se muestra un diagrama del ciclo combinado, así como su diagrama T-s:

FOTO DE LAS COPIAS DEL CENGEL

CICLOS BINARIOS DE VAPOR

• Otra forma de obtener una mejoría en cuanto a la eficiencia dentro de los ciclos es el llamado ciclo binario de vapor; este es importante ya que el trabajo predominante en los ciclos de potencia de vapor es agua (con la excepción de unas cuantas aplicaciones especializadas).

• Un ciclo binario tiene el mismo funcionamiento de un ciclo combinado, solamente que aquí ambos ciclos son de vapor, no como en el caso de ciclo combinado que es gas-vapor.

¿CÓMO FUNCIONA?• El funcionamiento es similar al de ciclo combinado;

en el cual el calor extraído durante un proceso de eliminación de calor de un ciclo de potencia se usa como la entrada de calor para otro ciclo.

• En los ciclos binarios de vapor el condensador del ciclo de alta temperatura (también llamado ciclo superior o de cubierta), sirve como caldera del ciclo de baja temperatura (llamado también ciclo inferior).

• Algunos fluidos para trabajar como ciclos superiores o de cubierta son el mercurio, sodio, potasio y mezclas de sodio - potasio

CICLO DE POTASIO CON UN CICLO DE VAPOR DE AGUA

La temperatura de condensación que tiene en el ciclo de

potasio esta alrededor de los 600

oC, y que se puede utilizar dentro de un

ciclo Rankine de vapor de agua.

CICLO DE MERCURIO CON UN CICLO DE

VAPOR DE AGUA Donde la temperatura de condensación que se tiene dentro del ciclo de cubierta esta alrededor de los 620

oC y que se puede utilizar dentro de un ciclo Rankine de vapor de agua

FOTO COPIAS DEL CENGEL

EFICIENCIA Y DESVENTAJAS• Algunos estudios muestran que las

eficiencias térmicas de 50% o más altas son posibles con ciclos binarios de vapor.

• Sin embargo, los ciclos binarios de vapor no resultan atractivos desde el punto de vista económico debido a su alto costo inicial, al igual que al irse elevando el costo de los combustibles y a la competencia ofrecida por las plantas de potencia combinadas de gas – vapor.

LIBROS CONSULTADOS

WARK, Kenneth

“Termodinámica”

Mc Graw Hill, 4ª Edición

CENGEL & BOLES

“Termodinámica”

Mc Graw Hill, 4ª Edición