Download TF-2323 Ciclo de Rankine Con Recalentamiento

Universidad Simón Bolívar
Departamento de Termodinámica y Fenómenos de Transferencia
Termodinámica II (TF-2323)
Profesor: Freddy Figueira
Problema Ciclo Rankine con Recalentamiento (Problemas 9-32 y 9-57, Çengel 5ª
edición)
Una planta de potencia de vapor opera en un ciclo Rankine ideal con recalentamiento.
El vapor entra a la turbina de alta presión a 8 MPa y 500 ºC y la abandona a 3 MPa. El
vapor es recalentado a presión constante hasta 500 ºC antes de expandirse en la turbina
de baja presión. Determine el trabajo específico de las turbinas (en kJ/kg) y la eficiencia
térmica del ciclo. También muestre el diagrama T-s del ciclo. Realice el análisis
exérgico, considera que el ciclo intercambia calor con reservorios de 1800 K y 300 K.
Solución
Suposiciones: 1. Proceso en estado estacionario 2. Cambio de energía cinética y
potencial despreciable.
Es útil considerar e diagrama del ciclo:
De acuerdo al enunciado se conocen las siguientes propiedades de las corrientes:
T3 = 500 º C , P3 = 8 MPa , P4 = 3MPa , T5 = 500 º C , P5 = 3MPa y P6 = 20 kPa
En primer lugar determinemos los estados de cada corriente, como la bomba sólo puede
manejar líquido, se asume que la corriente 1 es líquido saturado, además el condensador
opera a presión constante:
Edo 1 P1 = P6 ⎫ h1 = h f @ 20kPa = 251, 42 kJ/kg
⎬
x1 = 0 ⎭ v1 = v f @ 20 kPa = 0, 001017 m3 /kg
La caldera opera de manera isobárica, por lo que P2 = P3 . El trabajo suministrado a la
bomba se puede determinar como:
⎛ 1kJ ⎞
wb = −v1 ( P2 − P1 ) = − ( 0, 001017 m3 /kg ) ( 8000 kPa − 20 kPa ) ⎜
= −8,12 kJ/kg
3 ⎟
⎝ 1kPa·m ⎠
Por lo que:
wb = h1 − h2 ⇒ h2 = h1 − wb ,en = 251, 42 + 8,12 = 259,54 kJ/kg
El estado 3 está completamente determinado:
Edo 3 P3 = 8 MPa ⎫ h3 = 3399,5 kJ/kg
⎬
vsc
T3 = 500 º C ⎭ s3 = 6, 7266 kJ/kg·K
La turbina de alta presión es ideal, es decir, opera de manera adiabática reversible: es
isentrópica:
Edo 4 P4 = 3MPa ⎫
⎬ h4 = 3105,1kJ/kg
s4 = s3
vsc
⎭
El estado 5 está completamente determinado:
Edo 5 P3 = 3MPa ⎫ h3 = 3457, 2 kJ/kg
⎬
vsc
T3 = 500 º C ⎭ s3 = 7, 2359 kJ/kg·K
La turbina de baja presión es ideal, es decir, opera de manera adiabática reversible: es
isentrópica:
s6 − s f 7, 2359 − 0,8320
=
= 0,9051
P6 = 20 kPa ⎫ x6 =
Edo 6
1
7, 0752
s fg
⎬
liq − vap s6 = s5
⎭
h6 = h f + x6 h fg = 251, 42 + ( 0,9051)( 2357,5 ) = 2385, 2 kJ/kg
La salida de trabajo de la turbina viene dada por:
wT = wTAP + wTBP = ( h3 − h4 ) + ( h5 − h6 ) = 1366, 4 kJ/kg
La eficiencia del ciclo es:
w
ηciclo = neto
qcal
Donde
wneto = wT + wb , sal = 1366, 4 + ( −8,12 ) = 1358,3kJ/kg
qentra = ( h3 − h2 ) + ( h5 − h4 ) = 3492, 0 kJ/kg
Finalmente,
1358,3
ηciclo =
= 38,9 %
3492,5
1
s fg = sg − s f y h fg = hg − h f