UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA

Curso: Termodinámica II

Proyecto: Central Termoeléctrica en Alto Chicama (La Libertad)

Docente: Pérez Campomanes Giovene

Integrantes:

Chávez Huingo Mariano Antonio (Responsable) Vega Villafana Ashley Castañeda Llanos José

Fecha:

Índice

Ciclo Rankine Ideal de la Central Termoeléctrica “Alto Chicama”

Introducción

El desarrollo de este proyecto está basado y enfocado a las necesidades de consumo eléctrico que cada día está en aumento, resulta de gran importancia en Ingeniería estudiar procesos de producción de energía ya que esta ciencia de estudio busca mejorar la calidad de vida. Nosotros estudiantes de Ingeniería Mecánica desarrollaremos el diseño de los elementos que intervienen en este proceso de producción de energía entre los cuales resaltamos los cuatro componentes:

Caldera, sobrecalentador, Economizador Bomba(s) Turbinas Calentadores de Agua de Alimentación (CAA) Condensador Torre de Refrigeración Chimenea, desulfurador y chimenea.

De los cuales haremos su estudio, mención y aporte al ciclo de potencia.Durante el desarrollo expondremos detalles de cómo influyen ciertos cambios para mejorar la eficiencia del ciclo como los recalentamientos los calentadores de agua y también la influencia de sus parámetros de operación como son la presión y temperatura en la caldera, la presión en el condensador y sus restricciones de operación.

Objetivos

FIGURA 01

Objetivo Principal:

Explicar el Desarrollo del Ciclo Rankine Ideal para la central Termoeléctrica (carboeléctrica) Alto Chicama (Trujillo).

Objetivo Específico:

Analizar los dispositivos térmicos que intervienen en el desarrollo del análisis del ciclo, considerando las ecuaciones básicas de conservación de masa y energía.

Calcular la potencia neta del ciclo para parámetros de presión y temperatura de funcionamiento establecidos.

Comparar la eficiencia térmica de un ciclo ideal con las de un ciclo real.

Comprobar si las condiciones de trabajo para la central térmica son rentables.

Marco teórico

Centrales Termoeléctricas:

Centrales de producción de energía basados en el uso de la energía térmica (entalpia) de un fluido en este caso vapor que es forzado a pasar por los alabees de las turbinas y estas golpeando los alabes logran un cambio en la cantidad de movimiento que genera movimiento de rotación del eje principal.

El vapor de agua es el fluido de trabajo usado más comúnmente en ciclos de potencia de vapor debido a sus muchas y atractivas características, como bajo costo, disponibilidad y alta entalpía de vaporización.

Los principales tipos de centrales termoeléctricas:

Planta Térmica Nuclear

Planta Térmica de Combustible Fósil

Planta Térmica de Energía Solar

El ciclo Rankine:

Es el ciclo ideal para las centrales eléctricas de vapor. El ciclo Rankine ideal simple no incluye ninguna irreversibilidad interna y está compuesto de los siguientes cuatro procesos:

Compresión isentrópica en una bomba Adición de calor a presión constante en una caldera Expansión isentrópica en una turbina Rechazo de calor a presión constante en un condensador

Para aumentar la eficiencia también se emplea el proceso de recalentamiento, luego el ciclo mejora en cuanto a su eficiencia térmica.

Ciclos de Potencia supercríticos:

Planta Térmica - Geotérmica

Ciclo Rankine Simple Ciclo con Recalentamiento

Las presiones de operación de las cal de ras se han incrementa do en forma gradual a lo largo de los años des de 2.7 MPa (400 psia) en 1922, hasta más de 30 MPa (4 500 psia) en la actualidad, generando el su fi cien te va por para producir una salida neta de potencia de 1 000 MW o más en una central eléctrica grande de vapor. Actualmente mu chas de es tas modernas centrales operan a presiones supercríticas (P > 22.06 MPa) y tienen eficiencias térmicas de 40 por ciento en el caso de centrales que funcionan con combustibles. En Esta dos Unidos operan más de 150 centra les eléctricas de vapor de presión supercrítica.

Ciclos Regenerativos

Después de todo lo anterior, el ciclo Rankin usados en centrales térmicas reales se puede mejorar usando calentadores de agua de alimentación (CAA), aquí mostramos los dos tipos de calentadores de agua Abierto y cerrado.

Dispositivos Usados en Centrales Térmicas:

Ciclo de Supercrítico

Ciclo Regenerativo

Muchos sistemas de energía como las centrales eléctricas operan en condiciones estacionarias, esto nos facilita para analizar las turbinas, condensadores, calentadores de agua, la caldera y los demás componentes del ciclo como Volúmenes de control cuyo análisis ya lo hemos aprendido en el curso anterior de Termodinámica I.

TURBINA:

Es el dispositivo que impulsa al generador eléctrico, este está compuesto por cientos de alabes que al ser impulsado por el vapor cambian su cantidad de movimiento y al estar unidos al eje, entonces hay una salida de velocidad angular, luego la velocidad de salida es convertida a energía eléctrica por inducción magnética.

CALDERA:

Es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia su fase.Es todo aparato de presión donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.

CONDENSADOR:

Turbina de alta presión y media presión Turbina de baja presión

Es un cambiador de calor latente que convierte el vapor (en estado gaseoso) en vapor en estado líquido, también conocido como fase de transición. El propósito es condensar la salida (o extractor) de vapor de la turbina de vapor para así obtener máxima eficiencia e igualmente obtener el vapor condensado en forma de agua pura de regreso a la caldera.

CALENTADOR DE AGUA DE ALIMENTACION:

Calentador abierto(CAA)

Estos calentadores de agua de alimentación se pueden considerar como Cámaras de Mezclado porque las corrientes de fluido se mezclan y los principios de conservación de la energía y la masa se pueden aplicar a esto volúmenes de control.

Calentador cerrado(CCA)

En este tipo de calentadores los flujos de los fluidos no se mezclan pero si ocurre flujo de calor del flujo de mayor temperatura al de menor temperatura, luego esta propiedad de estos dispositivos nos permite evaluarlos como Intercambiadores de Calor.

BOMBA:

Es una máquina generadora que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía del fluido incompresible que mueve.

Se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud.

VÁLVULAS DE ESTRANGULAMIENTO:

Las válvulas de estrangulamiento son dispositivos de diferentes tipos que restringen el flujo de un fluido provocando una caída relevante de presión. Algunos ejemplos comunes son válvulas ajustables ordinarias, tubos capilares y tapones porosos.A diferencia de las turbinas, producen una caída de presión sin implicar trabajo.

En estos dispositivos se cumple la conservación de la entalpia luego el proceso de estrangulamiento es un proceso Isoentálpico.

Componentes Adicionales:

Economizador:

Es un dispositivo mecánico de transferencia de calor que calienta un fluido hasta su punto de ebullición, sin pasar de él. Hacen uso de la entalpía en fluidos que no están lo suficientemente calientes como para ser usados en una caldera, recuperando la potencia que de otra forma se perdería, y mejorando el rendimiento del ciclo de vapor.

Torre de Refrigeración:

Son sistemas mecánicos destinados a enfriar masas de agua en procesos que requieren una disipación de calor.El principio de enfriamiento de estos equipos se basa en la evaporación, el equipo produce

una nube de gotas de agua bien por pulverización, bien por caída libre que se pone en contacto con una corriente de aire. La evaporación superficial de una pequeña parte del agua inducida por el contacto con el aire, da lugar al enfriamiento del resto del agua que cae en la balsa a una temperatura inferior a la de pulverización.

Sobrecalentador o supercalentador:

Es un dispositivo que se encuentra en un motor a vapor que calienta el vapor generado por la caldera nuevamente, incrementando su energía térmica y haciendo decrecer la posibilidad de condensación dentro del motor. Los supercalentadores incrementan la eficiencia del motor de vapor y han sido ampliamente adoptados actualmente. El vapor que ha sido supercalentado es conocido lógicamente como vapor supercalentado.

Planta desulfuración:Encargada de tratar todos los residuos causado por el proceso de combustión y ponerlos de la mejor manera a una nueva disposición a la humanidad sin que resulte perjudicial.

*El ciclo ideal para nuestro proyecto incluye componentes secundarios que son de importancia porque aumentan la eficiencia del ciclo:

ALTO CHICAMA (Trujillo)

¿Por qué crear una central térmica en Alto Chicama? La respuesta más factible para esto es las características geológicas que se presentan tales como la grandes cantidades y calidades de del carbón extraído de forma artesanal de este lugar.

El estudio de la mina de carbón evalúa el levantamiento geológico de la zona carbonera del Alto Chicama, provincia de Otuzco, departamento de La Libertad (1520 Km^2), analizando además el potencial carbonero de la región. Las rocas más antiguas de la región pertenecen a la Formación Chicama del Jurásico superior. Sobre estas capas yacen, concordantemente, sedimentos cretáceos que corresponden a la Formación Chimú, portadora de los mantos de carbón, las Formaciones indivisas Santa-Carhuaz, La Formación Farrat y las Formaciones Inca- Chullec-Pariatambo. Las rocas sedimentarias señaladas han sufrido un diastrofismo intenso debido a los movimientos tectónicos ocurridos en la Cordillera de los Andes, y a los efectos producidos por el emplazamiento del Batolito Andino. El carbón del área es de tipo antracítico, estimándose reservas posibles de 223 710 000 TM de carbón. Los mantos reconocidos son de naturaleza reticular. También se analiza el impacto del tectonismo y las intrusiones en la zona carbonera.

La calidad de este carbón está entre los mejores del país con un porcentaje de carbón puro en el proceso de extracción de 80 a 85%.

También hacemos mención que se usaría las aguas del Rio Chicama para usar en la Torre de Refrigeración de la central Térmica, a expensas de la calidad de agua esta se puede tratr para darle condiciones óptimas de trabajo.

Resaltaremos que este proyecto de Central Térmica estaba en proceso de formulación pero se paró por motivos políticos de importancia superflua.

Desarrollo del tema Consideraciones previas:

La temperatura máxima que puede adquirir el vapor sobrecalentado está normalmente limitada por los materiales empleados en la zona de sobrecalentamiento de la caldera.Actualmente la temperatura máxima es del orden de los 550ºC. La presión máxima es del orden de los 250 bar y está limitada por problemas de diseño mecánico de la turbina y por la humedad admisible a la salida de la misma (10%). La presión mínima es función de la temperatura del condensador y su magnitud suele estar situada en el intervalo de 0,03 bar a 0,14 bar, lo que corresponde a una temperatura del condensador de 25°C y 52°C respectivamente.

La temperatura a la que se calienta en el caldero es la máxima con las cual se trabaja actualmente: T caldera, salida=550 °C ,Pmax=25Mpa

En el condensador la presión usamos como la mínima admisible actualmente para

aumentar la eficiencia: Pmax=0.03 ¿̄ 3Kpa=0.003Mpa

Las turbinas de media y baja presión operan por debajo de la presión de la primera turbina, luego los procesos de recalentamiento tienen que ser talque sea inferior a la primera expansión, considerando el 1er y 2do recalentamiento a: P1errecalentamiento=15Mpa,T recalentamiento=450 ° c

P2do recalentamiento=8Mpa ,T recalentamiento=400 °c

Tomaremos como variables las presiones y consideraremos que los calentadores de agua de alimentación trabajan a partir de una expansión isentropica de cada turbina pero que estén en el rango de operación accesible por los dispositivos del ciclo.Teniendo en cuenta que los flujos son captados como vapor sobrecalentado en cada uno de los cuatro calentadores de agua de alimentación, luego podemos planteamos las siguientes restricciones de operación para cada recalentador, teniendo como datos previos las presiones de recalentamiento y las presiones de operación de las turbinas el condensador.

1ro: CAA (Cerrado): 15Mpa<Pcaptaciondevapor=Pc1<25Mpa

2do: CAA (Cerrado): 8Mpa<Pcaptaciondevapor=Pc2<15Mpa

3er: CAA (Abierto): 3Mpa≤Pcaptaciondevapor=Pc3<8Mpa

2do: CAA (Cerrado): 0.003Mpa<Pcaptaciondevapor=Pc 4<3Mpa

Podemos ver que existe un rango de presiones de operación en el estado de entrada a los calentadores de agua de alimentación, en esta virtud veremos con cuál de estas presiones en estado de vapor sobrecalentado es que se alcanza una mayor eficiencia térmica.

Mostramos las gráficas que muestran los estados del vapor durante el ciclo Rankine.

P5=P6=P7=P8=25Mpa ;T8=550° c

*Cálculo de las entalpias en cada estado del ciclo Rankine:

Despreciaremos las irreversibilidades:

Estado 1: (Liquido saturado)P1=0.003Mpa=3Kpa; h1=100.98kj /kg ; v1=0.001003m

3/kgEstado 2:

h2=100.98kj /kg+(P2−3Kpa)0.001003m3/kg….(A )

Estado 8: (Vapor sobrecalentado)P8=25Mpa ;T 8=550 ° c ;luego−→h8=3339.2kj /kg ; S8=6.1816kj /kg .K

Estado 9: (Vapor sobrecalentado)S9=6.1816kj /kg . K ; P8=15Mpa; Luego :h9=3186.4473kj /kg

Estado 10: (Vapor sobrecalentado)

P10=15Mpa;T 10=450 ° c Luego−→h10=3157.9kj /kg ; S10=6.1434kj /kg .K

P9=P10=15Mpa ;T 10=450 °c

P11=P12=8Mpa;T12=400 °c

0.003Mpa<P2=P4=P19=P18<8Mpa

0.003Mpa<P4=P19=P18<P4

P1=P22=P13=0.003Mpa ;T 8=25° c

8Mpa<P17=P16<15Mpa

15Mpa<P17=P16<25Mpa

Estado 11: (Vapor sobrecalentado)S11=6.1434kj /kg .K ; P11=8Mpa; Luego :h11=2995.4167kj /kg

Estado 12: (Vapor sobrecalentado)

P12=8Mpa;T 12=400 ° c Luego−→h12=3139.4kj /kg ;S12=6.3658kj /kg . K

Estado 13: (Mezcla saturada)

S13=6.1434 kj /kg . K ;P13=3Kpa; Luego x13=S13−S f , 13

S fg ,13

=0.7041

h13=hf ,13+x13hfg ,13=1821.73 kj /kg

Para determinar las entalpias de los estados restantes hallaremos las fracciones másicas extraídas en cada CAA y desarrollaremos las eficiencias para cada rango de presiones establecidas anteriormente en la página …..

*Calentador 1 (CAA Cerrado):

y ' h15+h7=h6+ y ' h14……(B)

*Calentador 2 (CAA Cerrado):

h6+ y ' ' h17=h5+ y ' ' h16……(C)

*Calentador 3 (CAA Abierto):

h4= y ' ' ' h18+(1− y '− y ' '− y ' ' ' )h3+( y '+ y ' ')h19……(D)

*Calentador 4 (CAA Cerrado):

(1− y '− y ' '− y ' ' ')h2+ y ' ' ' ' h20=(1− y '− y ' '− y ' ' ')h3+ y ' ' ' ' h21……(E)

Desarrollando las 4 ecuaciones anteriores tenemos:

y '=h6−h7h15−h14

, y ' '=h6−h7h15−h14

Conclusiones y Recomendaciones

Bibliografía

Anexos