Sistemas de producción de potencia: ciclos binarios y combinados

Sistemas de producción de potencia

Ciclos binarios y combinados

CONTENIDOS • Ciclos binarios • Ciclos combinados

2Ciclo binario • Este ciclo acopla dos ciclos de vapor, por lo que el calor de disipación de un ciclo es la entrada para el otro. • En estos ciclos se utilizan diferentes fluidos de trabajo, uno con características ventajosas a alta temperatura y otro con características complementarias en el extremo de baja temperatura. • Dependiendo de la aplicación, estos fluidos de trabajo pueden incluir agua y sustancias orgánicas. • El resultado es un ciclo combinado que tiene una alta temperatura de entrada de calor y una baja temperatura de disipación de calor y, por lo tanto, una eficiencia termica mayor que la que cualquiera de los ciclos por separado. Bottoming cycle superheater a Vapor e 12 1 Turbine Turbine 2 Condenser Topping cycle: 1-2-3-4-1 - b T 1 Topping cycle condenser, bottoming cycle boiler a 4 2 3 e d c b 4 Pump Pump Bottoming cycle :- a-b-c-d-e Topping cycle boiler c Liquid S

Ciclo binario: Aplicaciones

3Ciclo binario • Por lo general, estos ciclos se emplean cuando las temperaturas del foco caliente son muy altas (>800 ºC), ya que en estas condiciones el vapor de agua funcionaría en un ciclo transcrítico, lejos de las condiciones ideales de operación. • Por tanto, la aplicación más típica de estos ciclos es en centrales nucleares, donde las temperaturas pueden llegar por encima de los 1200ºC. • El fluido en el ciclo de baja temperatura suele ser agua. Bottoming cycle superheater a Vapor e W 12 Bottoming cycle :- a-b-c-d-e 1 Turbine Turbine 2 Condenser Topping cycle: 1-2-3-4-1 -b Topping cycle boiler T 1 Topping cycle condenser, bottoming cycle boiler a 4. 2 Liquid 3- e d c b 4 Pump Pump c 3 S

Ciclo binario: Selección del fluido de alta temperatura

4Ciclo binario La selección del fluido en el ciclo de alta temperatura tiene que tener una serie de características para que sea apropiado: • Temperatura crítica elevada • Presión de trabajo segura (no muy alta) • Temperatura del punto triple suficientemente baja para evitar la solidificación • Presiones de condensación no muy por debajo de la presión atmosférica • Una elevada entalpía de evaporación tal que la transferencia de calor del fluido de trabajo se aproxime a una isotérmica y no sean necesarios altos caudales másicos. • Una curva de saturación que se aproxime a una U invertida, para evitar formación de gotas a la salida de la turbina. • Alta conductividad térmica • Otras propiedades como ser barato, no tóxico, inerte, no corrosivo y de fácil disponibilidad

Ciclo binario: Fluidos de trabajo apropiados

5Ciclo binario Los fluidos de trabajo más apropiados son el mercurio, el sodio, el potasio y las mezclas de socio/potasio:

Según estas propiedades, ¿cuál es el más adecuado?

Ciclos combinados: Eficiencia térmica

6Ciclos combinados • En el ciclo binario, las temperaturas del foco frío y del foco caliente están muy separadas por lo que la eficiencia térmica del ciclo es alta. Además, la utilización de dos fluidos de trabajo permite maximizar el rendimiento térmico al emplear para cada ciclo el fluido de trabajo que tiene mejores propiedades termofísicas en esa región. • Por lo tanto, la eficiencia térmica del ciclo binario es mayor que la que tendría un ciclo simple que operase a las mismas condiciones de temperatura. • La eficiencia térmica del ciclo binario es: n = Wc1 + Wc2 Qen1 + Qen1 • donde Wc1 y Wc2 son las potencia neta desarrolladas por los dos ciclos de vapor. Qen1 y Qenz denotan la tasa total de transferencia de calor en la cámara de combustión, incluida la transferencia de calor adicional, si corresponde, para sobrecalentar el vapor que ingresa a la turbina de vapor. a Vapor M e W12 1 Turbine Turbine Condenser 2 +b Topping cycle boiler Topping cycle condenser, bottoming cycle boiler c Liquid d 4 Pump Pump

Ciclos combinados: Balances de masa y energía

7Ciclos combinados • La relación para la energía transferida del ciclo de alta temperatura al de baja temperatura se obtiene aplicando los balances de masa y energía a un volumen de control que encierra el generador de vapor de recuperación de calor. Para un funcionamiento en estado estacionario, una transferencia de calor insignificante con el entorno y sin cambios significativos en la energía cinética y potencial, el resultado es: ma . (h2 - h3) = mp . (he - hd) • donde ma y mp son los caudales másicos del los ciclos de alta y baja temperatura respectivamente. • El rendimiento del ciclo combinado se puede analizar utilizando balances de masa y energía. Sin embargo, para completar el análisis, se requiere la segunda ley para evaluar el impacto de las irreversibilidades y las verdaderas magnitudes de las pérdidas. a Vapor e W12 1 Turbine Turbine 2 Condenser - Topping cycle boiler b Topping cycle condenser, bottoming cycle boiler C Liquid 3- d Pump Pump 4

Ciclo binario: Ejemplo de sistema de potencia

8Ciclo binario Ejemplo Un sistema de potencia binario utiliza sodio para el ciclo de alta temperatura y agua para el ciclo de baja temperatura. A la turbina de alta temperatura el sodio entra como vapor saturado a 1200 ºC. A la salida del intercambiador, el sodio sale como líquido saturado a 2 kPa. A la entrada de la turbina de baja temperatura el agua entra a 15 MPa y 700 ºC. A la salida del condensador el agua sale como líquido saturado a 8 KPa. El caudal másico de sodio es 1 kg/s. La temperatura del vapor a la salida del intercambiador de calor es 25ºC inferior a la temperatura de entrada del sodio. Considere que las bombas y las turbinas son ideales y calcule: a) La presiones, temperaturas, entalpías y entropías de todos los estados. b) El caudal de másico de agua c) Los rendimientos de primera ley de ambos ciclos y del total, así como el rendimiento de segunda ley total del ciclo. 5 Vapor 9 W 12 1 Turbine 5 Turbine 2 Condenser Topping cycle boiler 6 Topping cycle condenser, bottoming cycle boiler 7 Liquid 3+ 8 Pump Pump 4

Ciclos combinados: Aprovechamiento de gases de escape

9Ciclos combinados • La aplicación del ciclo combinado se basan en el aprovechamiento de la temperatura de los gases de escape de una turbina de gas, que suele estar muy por encima de la temperatura ambiente y, por lo tanto, el gas caliente que sale de la turbina tiene una utilidad termodinámica significativa que podría aprovecharse económicamente. • Un ciclo combinado acopla dos ciclos de potencia de tal manera que la energía descargada por transferencia de calor de un ciclo se utiliza parcial o totalmente como entrada de calor para el otro ciclo. • Los ciclos de potencia de gas y vapor se combinan utilizando un generador de vapor de recuperación de calor interconectado que sirve como caldera para el ciclo de potencia de vapor. Qin Combustor 2 Gas turbine Compressor Turbine W gas F 1 Air inlet Exhaust < 4 5 -7 1 Heat-recovery steam generator Turbine -6 Vapor cycle 8+ 1 11 Pump Condenser U a- 9 10 Cooling water

Ciclos combinados: Eficiencia térmica y aplicaciones

10Ciclos combinados • En el ciclo combinado, la adición de calor a alta temperatura se produce en el ciclo de Brayton (niveles térmicos más altos que en el ciclo de Rankine) mientras que la disipación se produce e los niveles térmicos del ciclo de Rankine (más bajos que en el ciclo de Brayton). • Por lo tanto, la eficiencia térmica del ciclo combinado es mayor que la que tendría cualquiera de los ciclos individualmente. Para muchas aplicaciones, los ciclos combinados son una buena opción, y se utilizan cada vez más en todo el mundo para la generación de energía eléctrica. • La eficiencia térmica del ciclo combinado es: n = Wgas + Wyap Qen • donde Wgas es la potencia neta desarrollada por la turbina de gas y Wvap es la potencia neta desarrollada por el ciclo de vapor. Qen denota la tasa total de transferencia de calor al ciclo combinado, incluida la transferencia de calor adicional, si corresponde, para sobrecalentar el vapor que ingresa a la turbina de vapor. Qin Combustor 2- +3 Gas turbine Compressor Turbine W gas +1 Air inlet Exhaust <1 4 5 +7 Heat-recovery steam generator Turbine 6 Vapor cycle 11 Pump Condenser 9 10 Cooling water

Ciclos combinados: Balances de masa y energía e irreversibilidades

11Ciclos combinados • La relación para la energía transferida del ciclo del gas al ciclo de vapor para el sistema se obtiene aplicando los balances de masa y energía a un volumen de control que encierra el generador de vapor de recuperación de calor. Para un funcionamiento en estado estacionario, suponiendo una transferencia de calor insignificante con el entorno y sin cambios significativos en la energía cinética y potencial, el balance es: my . (h7 - h6) = mg . (h4 - h5) • donde mg y my son los caudales másicos del gas y del vapor, respectivamente. • El rendimiento del ciclo combinado se puede analizar utilizando balances de masa y energía. Sin embargo, para completar el análisis, se requiere la segunda ley para evaluar el impacto de las irreversibilidades y las verdaderas magnitudes de las pérdidas. • Entre las irreversibilidades, la más significativa es la exergía destruida por la combustión. Alrededor del 30% de la exergía que entra en la cámara de combustión con el combustible se destruye por irreversibilidad de la combustión. Qin Combustor 2 Gas turbine Compressor Turbine W gas Air inlet Exhaust< F 1 4 5 -7 1 Heat-recovery steam generator Turbine -6 Vapor cycle 8+ 1 11 Pump Condenser U a- 9 10 Cooling water

Ciclos combinados: Ejemplo de planta de energía

12Ciclos combinados Ejemplo Una planta de energía combinada de turbina de gas y vapor tiene una potencia neta de 45 MW. El aire entra en el compresor de la turbina de gas a 100 kPa, 27ºC, y se comprime a 1200 kPa. El compresor es ideal. La condición en la entrada de la turbina es de 1200 kPa, 1200 ºC. El aire se expande a través de la turbina, que también es ideal, a una presión de 100 kPa. A continuación, el aire pasa a través del generador de vapor de recuperación de calor interconectado y finalmente se descarga a 127 ºC. El vapor entra en la turbina del ciclo de potencia de vapor a 8 MPa, 400℃, y se expande a la presión del condensador de 8 kPa. El agua entra en la bomba como líquido saturado a 8 kPa. La turbina y la bomba del ciclo de vapor son ideales también. a. Determinar los caudales masicos del aire y del vapor, cada uno en kg/s; La potencia neta desarrollada por la turbina de gas y ciclo de potencia de vapor, cada uno en MW; y la eficiencia térmica del ciclo.