EL
CICLO RANKINE IDEAL CON RECALENTAMIENTO
¿Cómo
podemos aprovechar las mayores eficiencias a presiones más altas de la caldera
sin tener que enfrentar el problema de humedad excesiva en las etapas finales
de la turbina?
Se puede pensar en dos posibilidades:
- Sobrecalentar el vapor a temperaturas muy altas antes de que entre a la turbina. Ésta sería la solución deseable porque la temperatura promedio a la que se añade calor también se incrementaría, lo cual aumentaría la eficiencia del ciclo. Sin embargo, no es una solución viable ya que requiere elevar la temperatura del vapor hasta niveles metalúrgicamente inseguros.
- Expandir el vapor en la turbina en dos etapas y recalentarlo entre ellas. En otras palabras, modificar el ciclo Rankine ideal simple con un proceso de recalentamiento. El recalentamiento es una solución práctica al problema de humedad excesiva en turbinas y es comúnmente utilizada en modernas centrales eléctricas de vapor.
El
diagrama T-s del ciclo Rankine ideal con recalentamiento y el esquema de
la central eléctrica que opera en este ciclo se muestran en el esquema 1.
El ciclo Rankine ideal con recalentamiento
difiere del ciclo Rankine ideal simple en que el proceso de expansión sucede en
dos etapas. En la primera (la turbina de alta presión), el vapor se expande
isentrópicamente hasta una presión intermedia y regresa a la caldera donde se
recalienta a presión constante, por lo general hasta la temperatura de entrada
de la turbina de la primera etapa. Después, el vapor se expande
isentrópicamente en la segunda etapa (turbina de baja presión) hasta la presión
del condensador. De modo que la entrada de calor total y la salida total de
trabajo de la turbina en un ciclo de recalentamiento vienen a ser
y,
La incorporación de un recalentamiento
simple en una central eléctrica moderna mejora la eficiencia del ciclo en 4 o 5
por ciento, ya que se incrementa la temperatura promedio a la cual el calor se
transfiere al vapor.
La temperatura promedio durante el proceso
de recalentamiento puede incrementarse aumentando el número de etapas de
expansión y recalentamiento. Cuando se hace esto, los procesos de expansión y
recalentamiento se acercan a un proceso isotérmico a la temperatura máxima, como
se muestra en el diagrama T-s. Sin embargo, el uso de más de dos etapas de recalentamiento
no es práctico.
La temperatura promedio a
la que se transfiere el calor durante el recalentamiento aumenta cuando se
incrementa el número de etapas de recalentamiento.
El mejoramiento teórico en la eficiencia
debido al segundo recalentamiento es cerca no a la mitad del mejoramiento
debido a un solo recalentamiento. Si la presión de entrada de la turbina no es
lo suficientemente alta, el doble recalentamiento resulta en un escape
sobrecalentado. Esto es indeseable porque causaría que la temperatura promedio
para el rechazo de calor aumente y de esta manera la eficiencia del ciclo
disminuya. Por lo tanto, el doble recalentamiento se utiliza solamente en
centrales eléctricas de presión supercrítica (P > 22.06 MPa). Una
tercera etapa de recalentamiento incrementa la eficiencia del ciclo en casi la
mitad de la mejora alcanzada por el segundo recalentamiento. Esta ganancia es
tan pequeña que no justifica el costo y la complejidad adicionales.
El ciclo Rankine con recalentamiento puede
ayudar a elevar mínimamente la eficiencia del ciclo, pero se usa para alargar
el tiempo de vida de la turbina. Idealmente podríamos usar una cantidad infinita
de recalentamientos para continuar elevando la eficiencia pero en la práctica
solo se usan dos o tres, ya que la ganancia de trabajos es muy pequeña.
Para calcular el rendimiento térmico de un
ciclo de recalentamiento, hay que tomar en cuenta el trabajo que sale de ambas
etapas de la turbina, así como el calor transferido en la zona de la
caldera-sobrecalentado qcal y en la zona de recalentamiento qrecal rendimiento térmico está dado por:
Beneficios del ciclo Rankine Con Recalentamiento.
- Pequeño aumento en el rendimiento del ciclo, por lo tanto un ahorro en los requerimientos de energía.
- Aumenta el tiempo de vida útil de la turbina.
- El ciclo Rankine de por sí, se utiliza para generar energía eléctrica
La eficiencia del ciclo Rankine con
recalentamiento puede incrementarse también aumentando la presión de operación
en la caldera. Sin embargo, un aumento en la presión de operación de la caldera
origina un mayor grado de humedad en los últimos pasos de la turbina. Este
problema puede solucionarse haciendo uso de recalentamiento, en donde el vapor
a alta presión procedente de la caldera se expande solo parcialmente en una
parte de la turbina, para volver a ser recalentado en la caldera.
Posteriormente, el vapor retorna a la turbina, en donde se expande hasta la
presión del condensador.
Efecto del recalentamiento
- El recalentamiento por sí solo no mejora el rendimiento de forma relevante. Existe una presión de recalentamiento óptima en torno a 1/3 de la presión en la caldera.
- El recalentamiento mejora mucho el título a la salida de la turbina. Por ello se utiliza para compensar el efecto negativo sobre el título en la turbina al subir mucho la presión en la caldera.
- En instalaciones subcriticas (Pcaldera ≈ 180 bar) solo se utiliza un recalentamiento.
- En instalaciones supercriticas (Pcaldera > 300 bar) se llegan hacer hasta tres etapas de recalentamiento.
- La potencia del ciclo se reduce de forma proporcional al gasto de la regeneración. El rendimiento aumenta de forma proporcional.
- En instalaciones de pequeña potencia se instalan pocos calentadores porque la mejora en rendimiento no compensa el coste de la instalación.
El
ciclo de recalentamiento fue introducido a mediados de la década de 1920, pero
fue abandonado en los años de 1930 debido a las dificultades operacionales. Con
el tiempo, al final de los años de 1940 el aumento constante en las presiones
de la caldera hizo necesario reintroducir un solo recalentamiento, así como el
doble recalentamiento a principios de la década de 1950.
Las temperaturas de recalentamiento son
muy cercanas o iguales a la temperatura de entrada a la turbina. La presión de
recalentamiento óptima se acerca a un cuarto de la presión máxima del ciclo.
Por ejemplo, la presión óptima de recalentamiento para un ciclo con una presión
de caldera de 12
MPa es aproximadamente de
3 MPa.
Se debe recordar que el único propósito
del ciclo de recalentamiento es reducir el contenido de humedad del vapor en
las etapas finales del proceso de expansión. Si se contara con materiales que
soportaran temperaturas suficientemente altas, no habría necesidad del ciclo de
recalentamiento.
A continuación un video que explica el proceso del Ciclo Rankie mas detalladamente:
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