UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA

1ZTA.PALAPA /";<;

SEMINARIO DE PROYECTOS I Y I1

-/Análisis Energético1 y Exergético de la planta productora de potencia de Ciclo Combinado :

"El Sau:z" de la C.F.E.

ALUMNO : MATRICULA :

ASESOR :

VICTOR HUGO ACHA FELTES.

88321722. ,/

M en C. R,4UL LUG0 LEYTE.

** 1992 **

I

)d b Contenido Página

I.- Objetivo 1

11.- Introduccción 1

111.- Conceptos Básicos 5

111-2 Sistemas Termodinámicos 5

111-3 Estado de un Sistema 6

111-4 Procesos 7

111-5 Entalpía 9

111-6 Desigualdad de Clausius 11

111-7 Entropía 14

111-8 Irreversibilidad 16

111-9 Disponibilidad Mixima de Trabajo 19

1V.- La Exergía 23

IV-2 Método del Análisis Exergético 24

V.- El Ciclo Combinado 28

VI.- Descripción general de la Central de C.C. "El Saw" 30

VII-A Balance Energético del Ciclo de Gas 32

I.- OBJETIVO :

El objetivo de este trabajo es, realizar el análisis energético y exergético de la planta

de ciclo combinado generadora de potencia ubicada en el Sauz, en el estado de Queretaro,

México.

II.- INTRODUCCI~N .-

Toda transformación y todo esfuerzo producido por el hombre, por la naturaleza o

por las máquinas, requiere la intervención de una facultad denominada Energía, la cual se

define como la capacidad o el poder de producir trabajo.

L o s instintos y la evolución de la inteligencia del hombre lo han llevado a buscar

incansablemente el dominio de los fenómenos naturales, tanto para satisfacer sus necesidades

y mejorar su forma de vida como para satisfacer su natural curiosidad en desempeñar los

secretos de la naturaleza.

Una vez que el hombre logró el dominio del fuego, se puede decir que la humanidad

fue haciéndose dueña de la energía, lo cual le ha permitido aumentar su capacidad de realizar

trabajo que incremente su potencial natural y supere las limitaciones que su estructura

biológica le impone. Con el dominio del fuego, el hombre descubre la posibilidad de

utilizarlo para obtener calor, luz y protección contra el ambiente que lo rodea.

Desde éste punto de partida hasta el dominio de la energía nuclear, son muchos los

avances técnicos logrados por la humanidad. Lentamente, el hombre ha recorrido un camino

difícil que lo ha llevado a conocer, dominar y utilizar en su provecho los fenómenos de la

combustión, los eléctricos, los magnéticos y, en general, los químicos y físicos.

1

Así, el conocimiento de la combustión dio origen al diseño de las máquinas de vapor,

desde la aeolipila descubierta por Hero de Alejandría (130 a. C.) ,pasando por brillantes

investigadores e inventores como Somerset, Savery, Papin, James Watt, Cavendish,

Rumford, hasta que llegó el brillante ingeniero francés N. Sadi Carnot (1796-1832), quien

fue la primera persona que planteó la interrogante esencial del problema, a saber, conocer el

principio o los principios que rigen el fumcionamiento de estas máquinas. El dominio de los

fenómenos eléctricos y magnéticos ha contribuido a la creación de máquinas y equipos cada

vez más complejos que incrementan día con día la capacidad de trabajo del hombre.

Al mismo tiempo, la humanidad ha pagado un alto precio por las consecuencias no

previsibles de su descubrimiento y exploíación.

La explotación exhaustiva de las fuentes de combustibles convencionales, acumuladas

por millones de años , las está agotando 121 hombre, por lo que actualmente se está trabajando

a pasos agigantados en la creación de nuevas fuentes no convencionales y que a su vez se

encuentren en gran cantidad, así como también, resulta de gran interés el uso eficiente y

racional de las mismas.

El descubrimiento de la energía nuclear abre nuevos horizontes, así como también, la

energía solar, siendo la fuente de energíal más poderosa de que dispone la Tierra, el Sol.

Resulta de extrema importancia dado los antecedentes, el ahorro y la optimización de

las plantas que utilizan para su funcionamiento combustibles convencionales. La historia de

los últimos años nos ha demostrado lo supeditado que nos encontramos a éstos combustibles,

y que a medida que van acabandose resultan más costosos; un ejemplo de esto la crisis

petrolera de 1973-74, cuando los precios del energético se cuatruplicaron en un periodo

sumamente corto, a partir de entonces los distintos paises se han preocupado en difundir

técnicas y métodos que permitan ahorrar energía en los procesos industriales y comerciales.

2

En cuanto a optimizar los diferentes procesos industriales, en los últimos años se han

logrado importantes avances, tales como:, el desarrollo de nuevos materiales resistentes tanto

a bajas como altas temperaturas, el desarrollo de diversos procesos que aumentan la

eficiencia de un ciclo en particular, como el recalentamiento, la regeneración, etc.. También

parte de éstos avances resulta ser la técnica de cogeneración, la cual ha adquirido un gran

impulso en el transcurso de estos últimos años y consiste en la producción secuencia1 de

energía (generalmente eléctrica y térmica) a partir de una sola fuente energética.

No obstante para llevar a cabo cualquier proceso de optimización una planta se

requiere de una serie de análisis, en este caso se hará referencia a dos, el análisis energético

y el exergético como se había dicho anteriormente. El primero de los análisis nos permite

cuantificar que cantidad de energía suministrada a un ciclo es convertida en trabajo, mientras

que el exergktico resulta ser un diagn6stico el cual nos indica en que procesos se está

perdiendo o desaprovechando mayor cantidad de energía suministrada al mismo.

En el siguiente trabajo se presenlan los análisis energéticos y exergético de la planta

generadora de potencia de Ciclo Combinado "El Sauz". La modalidad del ciclo combinado,

surgió de que vista, que las eficiencias térmicas del ciclo de potencia de una turbina de gas

son usualmente menores al 40 % , aun aplicándoseles técnicas con el propósito de aumentar

su rendimiento, como lo son, el recalentamiento y regeneramiento, los gases de desecho de

dicho ciclo contenían aun un alto contenido energético; y de ahí resulta que se presenta, una

forma de aprovechar dicha energía mediante un sistema de acoplamiento con otro ciclo

diferente, y es a éste acoplamiento al que se lo conoce como Ciclo Combinado.

En la actualidad las efíciencias térmicas de los mismos oscilan por el 45 % .

Cabe decir que el análisis exergético aplicado a la planta de ciclo combinado "El

Sauz" nos permitirá determinar como complemento a la información arrojada por el análisis

energético, y debido a que los datos ob1:enidos mediante el mismo, respecto de los procesos

que se llevan a cabo, son más reales. Es así que mediante éSta metodología, se pueden

3

determinar que tan eficiente se aprovecha el trabajo máximo disponible, con el cual se cuenta

en cada uno de los diferentes procesos del ciclo.

4

111.- CONCEPTOS BÁNCOS :

La termodinámica es la rama de las ciencias físicas que trata de diversos fenómenos

de energía y las propiedades relacionadas de la materia, especialmente en lo que se refiere a

las leyes de la transformación da calor a otras formas de energía, y viceversa. Ejemplo de

tales transformaciones son el proceso de convertir calor en trabajo, electricidad en calor,

trabajo en energía cinética, etc..

Se refiere sólo a propiedades macroscópicas de la materia. A partir de los principios

termodinámicos se pueden deducir relaciones generales entre ciertas magnitudes, como

calores específicas, compresibilidad, etc . .

La termodinámica nos proporciona relaciones entre las propiedades físicas de

cualquier sistema una vez que se realizan ciertas mediciones, tales como, temperatura,

presión, etc..

Esta ciencia se inicia en la primera mitad del siglo XIX, fundamentalmente como

resultado de los intentos de mejorar los rendimientos de las máquinas de vapor destinadas a

transformar el calor en trabajo mecánico, de ahí el origen de su nombre, pues implica

conceptos térmicos y dinámicos.

Una vez desarrollado y entendido los principios que la rigen, su campo de acción se

extendió considerablemente. Estos principios se utilizan en proyectos de máquinas de

combustión interna, de centrales térmicas convencionales, de energía nuclear, etc..

zzz-2.- SISTEMAS TERMOI:,INÁMICOS :

El término sistema como se utiliza en la termodinámica, se refiere a cierta porción del

universo incluida dentro de una superficie cerrada llamada límite del sistema, sobre la cual se

enfoca la atención para su estudio.

5

Cualquier sistema que pueda intercambiar energía con un sistema dado, se denomina

medio ambiente, medio exterior o entorno. Al cunjunto de sistema y su medio exterior recibe

el nombre de universo.

Si las condiciones son tales que no se produce intercambio de masa y energía con el

entorno, se dice que dicho sistema se encuentra aislado; y si la materia no cruza los límites,

pero la energía sí, el sistema es cerrado. Cuando de manera contraria se produce intercambio

de materia y energía entre el sistema y el medio ambiente, el sistema es abierto.

111-3. - ESTADO DE UN SISTEMA :

También se puede hablar de propiedades en la termodinámica, estas son magnitudes

medibles experimentalmente, como lo son la temperatura, la presión, el volumen, etc..

Aquellas que son proporcionales a la masa del sistema, se llaman extensivas, por ejemplo, la

masa, y el volumen total. Las propiedades que son independientes de la masa se llaman

intensivas, la temperatura, la presión, y la densidad son un ejemplo de este tipo de

propiedades.

El estudo de un sistema termodinámico es determinado por los valores de las

propiedades.

Se ha hablado mucho del término de temperatura, pues bien, la temperatura es una

propiedad física la cual indica cuando dos o más cuerpos están en equilibrio térmico,

entendiéndose por equilibrio térmico al estado final alcanzado por dos o más cuerpos en el

cual no se producen cambios en las propiedades observables. En el sistema internacional de

unidades la temperatura es expresada en "Kelvin (K)".

Se dice también que un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico, cuando el

mismo está en equilibrio térmico, mecánico y químico; es decir, no ocurran cambios en

6

propiedades observables, no existan movimientos, expansiones o contracciones, y ya no

tengan lugar reacciones químicas, respectivamente.

111-4.- PROCESOS :

Al cambiar las propiedades de un sistema, el estado del sistema se modifica , por lo

que se dice que dicho sistema experimenta un proceso o transformación; en forma global, los

procesos se agrupan en cuasiestáticos y no cuasiestáticos; si el proceso se realiza de tal

modo que en cada instante el sistema difiere sólo infinitesimalmente de un estado de

equilibrio, el proceso pertenece al primer tipo de la clasificación; y si existen diferencias

finitas con el equilibrio el proceso es no cuasiestático.

Muchos procesos se caracterizan por el hecho de que alguna propiedad de un sistema

permanece constante durante el proceso. Precisamente para especificar este tipo de procesos

se usa el prefijo "iso". Cuando el volumen permanece constante, el proceso se denomina

proceso isotérico, isdcoro o isométrico. Si la presión permanece constante, se llama proceso

isobárico. Un proceso a temperatura constante, se denomina proceso isotérmico.

Un proceso en el cual no hay $lujo de calor a través de los límites se denomina

proceso adiabático.

Los procesos también se pueden clasificar en reversibles e irreversibles; un proceso

reversible puede definirse como aquel cuyo sentido pueda invertirse por un cambio

infinitesimal en alguna propiedad del sistema. Si existe una diferencia finita de temperatura

entre el sistema y el medio ambiente (proceso no cuasiestático), el sentido del flujo de calor

no puede invertirse por un cambio infinitesimal en la temperatura del sistema por lo que

recibe el nombre de irreversible.

7

Es común encontrar procesos los cuales ocurren con o sin variación de algunas

propiedades extensivas, como lo son la entalpía y la entropía de quienes se hablará de forma

más extensa, más adelante. Cuando se lleva a cabo un proceso a entalpía constante, éste se

denomina isoentúlpica; y si el proceso es a entropía constante, isoentrópica.

Existe un concepto de proceso muy utilizado principalmente en los estudios de

compresión y expansión en los motores de gas y vapor, debido a que en los procesos reales

de compresión y expansión, éstos no son con frecuencia ni adiabáticos, ni isotérmicos, sino

ocupan una posición intermedia entre estos dos tipos de procesos; este es el de politrdpico, se

denominan así, a los procesos termodinámicos reversibles que satisfacen la ecuación :

pvn. = constante 1 4 6 5 1 9

Teniendo "n" un valor determinado para el proceso politrópico.

La magnitud de n se llama exponente politrópico. Este exponente puede tomar para

procesos politrópicos diferentes valores cmlesquiera desde (+) infinito hasta (-) infinito.

La curva de la transformación politrópica en el diagrama de estado se denomina

politrópica. El concepto de los procesos politrópicos fue introducido en la termodinámica por

su analogía con los procesos adiabáticos. Como se puede ver la ecuación del proceso

politrópico tiene una forma muy parecida a la de la adiabática ( pvk = const.); sin embargo

entre ellas hay una diferencia esencial que consiste en : en la transformación politrópica

puede suministrarse o extraerse calor al sistema.

8

III-5.- LAENTALPIA :

Un papel muy importante en los más diversos cálculos termodinámicos lo desempeña

una magnitud que es igual a la suma de energía interna del sistema U y del producto de la

presión de éste p por su volumen V ; esta magnitud recibe el nombre de entulpia y se la

designa con la letra H :

H = U + p V

Esta magnitud termodinámica se llamaba antes contenido calorífico. Se comprende

que la entalpía, es una propiedad extensiva :

H = h m

donde la h es la entalpía específica (es decir, de la unidad de masa de la sustancia), y m el

flujo de masa.

Para la entalpía específica en masa puede escribirse :

h = u + pv

La entalpía se mide en las mismas unidades que el calor, el trabajo y la energía

interna, pero sólo representa energía bajo ciertas condiciones definidas. Como entre h y u

9

existe una relación uniforme, el punto de referencia para la medición de la entalpía va ligado

al de la energía interna.

La función entalpía es una combinación de magnitudes que, a su vez, son funciones

de estado (u, p, v), por lo tanto, la entalpía es también una función de estado.Lo mismo que

la energía interna, la entalpía de un cuerpo puede representarse en la forma de función de dos

propiedades de estado, de la presión p y de la temperatura T :

h = f(p,T)

Además, como la entalpía es función de estado, su diferencial es una diferencial total

dh = ( :;;)p dT + (")T 6P dp

10

111-6.- LA DESIGUALDAD DIE CLAUSJSJS :

El rendimiento térmico del ciclo reversible de Carnot viene determinado por la

relación :

y en su forma más general, por la definición del rendimiento térmico de un ciclo cualquiera :

De aquí se deduce que para el ciclo reversible de Carnot :

o, lo mismo,

11

De forma general esta última relación puede escribirse de la forma :

,Q= O T

Si se considera un ciclo reversible arbitrario, recordando que para realizar dicho ciclo

se debe de contar con un número infinitamente grande de fuentes de calor y que podemos

figurárnoslo constituido por una multitud de ciclos de Carnot elementales, a su vez, cada uno

de ellos conectados con su fuente caliente de la que recibe el calor A Q , , y su fuente fría, a la

que cede calor AQz. Teniendo en cuenta la ecuación anterior y considerando que el número

total de éstos es n, podemos escribir que :

En el límite, considerando ciclos infinitamente pequeñas, la ecuación anterior resulta

igual a :

de donde, podemos decir que:

12

Esto en lo que respecta a ciclos reversibles; no obtante, para los ciclos irreversibles,

la integral cíclica de dQ se aproxima a cero, mientras que dQ/T tiende progresivamente

hacia un valor negativo mayor, en el límite, como el trabajo de salida, es cero, por tanto,

tenemos que :

De este modo podemos concluir, que para todos los ciclos, se puede escribir :

J d Q < O T -

donde la igualdad es válida para los ciclos reversibles y la desigualdad para los ciclos

irreversibles; esta última relación es conocida como la desigualdad de Clausius.

13

111-7. - LA ENTROPIA :

Clausius introdujo la función S, para así, designar a su función integral por :

y de esta manera tener que su integral tomaba la forma de :

d S = O

Dicha función recibe el nombre de entropia.

La entropía es una magnitud extensiva y lo mismo que las magnitudes de este tipo

tiene la propiedad de ser aditiva. La magnitud S, se llama entropía específica y representa de

por sí la entropía por unidad de masa de substancia.

De un modo semejante a otra función de estado cualquiera, la entropía específica de

un sistema puede representarse en forma de función de dos parámetros de estado cualesquiera

x, Y :

!Z = f (x,y)

donde en calidad de x e y pueden figurar p y v, p y T, etc.

14

Se puede ver, por la por la definición de entropía, que éSta tiene la unidad de calor

dividida por le unidad de temperatura. Las unidades más utilizadas para su medición son :

J/K y la kcal/K. Mientras que las unidades de medición de la entropía espacífica son :

J/(kgK), el kJ/(kgK), la kcal/(kgK),etc.

También se puede decir de la entropía que , resulta evidente que en distintos procesos

reversibles, la entropía del sistema pulede aumentar y disminuir : como el valor de la

temperatura T siempre es positivo, se deduce que si se suministra calor al sistema, su

entropía aumentará, y si se extrae calor dlel mismo, disminuye.

De su definición se deduce también que, en el proceso reversible de variación del

estado de un cuerpo desde el punto inicial 1 hasta el punto final 2, la entropía del mismo

varía en la magnitud :

2

1

El concepto de entropía fue introducido basándose en el estudio de los ciclos

reversibles. Al parecer esto nos impide utilizar el concepto de entropía cuando se analizan

procesos irreversibles. Pero se debe rec.ordar que la entropía como se dijo al principio, es

una función de estado y, por tanto, s'u variación en un proceso cualquiera dependerá

únicamente de los estados inicial y final.

El concepto de entropía permite introducir un diagrama de estado, muy cómodo para

el estudio de 1s ciclos de motores térmicos, en el cual se toma la entropía sobre la abscisa, y

la temperatura absoluta sobre la ordenada.

15

Luego de lo expuesto se concluye que dando una definición de entropía la cual

permitirá entender su significado : "en,tropía ,es el grado de desorden que existe en un

sistema".

111-8. - LA IRREVERSIBILIIIAD :

La diferencia entre el trabajo reve.rsible, y el ejecutado cuando ocurre el proceso

irreversible, Wc.v. se llama irrevenibilid'ad, y se designa I.

Es evidente que en todos los prolcesos completamente reversibles, la irreversibilidad

es cero.

Considerando el proceso mostrado en la figura 1, se deduce una expresión general

para el trabajo reversible, por tanto :

Mientras que Wc.v. puede encontrarse aplicando la ,primera ley a un volumen de

control que involucra procesos irreversibles, en la figura 2 :

16

Substituyendo la expresión para W,,, m. (2) y la de Wc. ,. ec.(3), en la ecuación (l),

tenemos :

I = C meTose - C miTosi + mzTosz - mlTosl - QE.".

Esta es la expresión general para la irreversibilidad en un proceso de estado uniforme

y de flujo uniforme. Si consideramos dos casos particulares llamados : el sistema y el

proceso de estado estable y de flujo estabde. Para el sistema.

meTose = 0 ; 1; miTosi = O ; m, = m, = m

la ecuación 4 se reduce a:

17

Para el proceso de estado estable :y de flujo estable,

m2TOs2 = mlTosl

y la ecuación 4 se reduce a

I = C %Tose - C miTosi - Qc.,.

De esta manera, cuando en un proceso de estado estable y de flujo estable hay un solo

flujo que entra y sale del volumen de control, podemos decir que,

18

ZZZ-9.- LA DISPONIBILIDAD MAXIMA DE TRABAJO :

Como es sabido, un sistema aislado será capaz de producir trabajo únicamente se

encuentra en estado de desequilibrio. Una vez alcanzado el estado de equilibrio, la capacidad

de trabajo del sistema será nula.

Para obtener el trabajo máximo que se puede conseguir, al pasar un sistema del estado

de desequilibrio al de equilibrio, es necesario que todas las transformaciones que tengan

lugar dentro del sistema sean totalmente reversibles.

De ahí que resulte muy importante el determinar numéricamente el trabajo útil,

entendiéndose por tal, como la parte del trabajo producido que puede utilizarse como se crea

conveniente.

Con el fin de determinar de manera más clara los conceptos de trabajo útil y trabajo

útil máximo que puede producir un sistema realizaremos lo siguinte :

Supogamos que la temperatura í 7 ) y la presión po del medio son invariables o, por lo

menos, no dependen de que al medio de le ceda calor o, se tome de él. Como en el caso

general p = po y T = To, el sistema cerrado que se consideró estará en desequilibrio y , por

tanto, será capaz de producir trabajo. Para determinar el trabajo útil máximo producido por

el sistema, se introducirán los siguientes términos : se llamará U, y VI , respectivamente, a la

energía interna y al volumen de la fuente de trabajo en su estado inicial,y U , y U, a la

energía interna y al volumen de dicha fuente en su estado final, ya de equilibrio con el

medio. La presión y la temperatura para dicha fuente en sus estados inicial y final serán : p y

T, Po y To, respectivamente. A la ener,pía interna inicial y final del medio la llamaremos

respectivamente U,, y ¡Yo2. L a energía interna total del sistema en su estado inicial, de

desequilibri será :

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U'&t = u, + u,,

y en su estado final, de equilibrio,

Considerando que el sistema examinado, es cerrado, el trabajo sólo puede ser

producido por él a expensas de la disminución de su energía interna :

o, de acuedo con lo escrito antes,

w = ( V I - U,) + (U01 + U02)

Pero entre la fuente de trabajo y el medio puede existir intercambio de calor.

Llamando Qo al calor transmitido por la fuente de trabajo al medio, y Wo al trabajo realizado

por la misma contra el medio, de acuerdo con la primer principio de la termodinámica,

y como la presión del medio po , no varia,

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entonces,

El calor cedido por la fuente de trabajo al medio que lo rodea es igual, al producyo de

la temperatura invariable del medio, por el incremento de entropía del mismo. Y

sustituyendo el valor del calor cedido en la ecuación anterior, se obtiene :

Esta ecuación nos da el valor del trabajo Útil producido por el sistema aislado al pasar

del estado de desequilibrio al estado de aquilibrio.

Para hallar el valor del trabajo útil máximo (capacidad de producir trabajo) del

sistema aislado, es necesario partir del postulado según el cual, como resulñtado de procesos

reversibles, la entropía de un sistema aislado no varía. De aquí podemos deducir que,

teniendo en cuenta el carácter aditivo de la entropía, si la entropía del la fuente disminuye en

(S, - SJ, la entropía del medio debe a.umentar en la misma cantidad, es decir, para los

procesos reversibles :

Tomando en consideración, las dlos últimas ecuaciones, puede escribirse la expresión

del trabajo útil máximo del sistema aislado :

22

IV.- LA EXERGIA :

Como se puede ver, el trabajo útil máximo realizado por un sistema en desequilibrio,

ocurre ,si los procesos que lo llevan al equilibrio se efctúan reversiblemente. Para llegar a

dicho equilibrio, la fuente puede transformarse, por el camino que a continuación se describe

: primero se efectúa una transformación adiabática reversible la cual nos da como resultado

que la temperatura de la fuente de trab,ajo desciende hasta la temperatura del medio, y la

presión, desde la inicial de la fuente hasla una presión en un punto intermedio p ’; después se

realiza una transformación isotérmica en el cual, a expensas del intercambio de calor con el

medio, la fuente alcanza la presión del medio, y así, el completo equilibrio. Luego de

desarrollar la ecuación de capacidad de trabajo en base a estas consideraciones, se tiene que

la capacidad específica de trabajo, puede escribirse como :

Es a esta capacidad específica de trabajo de un flujo, a la que se la conoce con el

nombre de ”exergia” (este término fue propuesto en 1956 y solo ha comenzado a utilizarse

los últimos años). La exergía se designa por 4 :

De esta ecuación se deduce que la exergía de un flujo se define unívocamente si se

dan las propiedades del mismo y del medio, tales como, presión y temperatura.

23

El concepto de exergía resulta se:r más cómodo para analizar el grado de perfección

termodinámica de cualquier aparato térmico. Ahora bien, si el proceso que tiene lugar en el

aparato es irreversible, en dicho aparato ocurrirán pérdidas de capacidad de trabajo AW del

flujo. Esta pérdida será igual a :

Si la exergía del flujo al entrar en el aparato era igual a y , al salir de é1, $ 2 , la

diferencia se gasta en realizar trabajo útil y en pérdidas debidas a la irreversibilidad.

Si los procesos que ocurren en el aparato fueran reversibles, no habría pérdidas de trabajo y ,

en este caso, el flujo realizm’a el trabajo útil máximo.

ZV-2.- EL METODO DEL ANALISIS EXERGETICO :

La idea funfamental del método exergético consiste en lo siguiete : el agente de

transformación entra en el aparato con la exergía y , después de realizar el trabajo útil, sale

de dicho aparato con una exergía $*; la pérdida de capacidad de trabajo debida a la

irreversibilidad de los procesos que ocurren dentro del aparato, se determina por la ecuación

7.

Resulta de gran importancia subrayar que este método permite formar juicio acerca

del grado de reversibilidad de los procesos que tienen lugar dentro del aparato o dispositivo

analizado, por una característica externa : la diferencia de las exergías en la entrada del

aparato y a la salida de él.

24

De la definición de exergía, se deduce que el valor de la exergía de un flujo se

determina como se había dicho, unívocamente por las propiedades ya antes mencionados.

Por consiguiente la exergía puede considerarse como una función de estado peculiar de un

sistema en desequilibrio constituido por el medio y una fuente de trabajo en forma de flujo

(no debe pensarse que el concepto de exergía sólo puede aplicarse a un flujo, sino que

también puede considerarse la exergía de un espacio cerrado). La exergía puede determinarse

fácilmente por medio de un diagrama h-s, otra manera también de determinar la exergía es

utilizando un diagrama +s.

Por analogía con la exergía del flujo de agente de transformación se introduce el

concepto de exergía del flujo de calor. La exergía del flujo de calor q cedido por un cuerpo a

la temperatura T, se determina del modo siguiente :

Si en un aparato térmico, que produzca trabajo útil, entra un flujo de agente de

transformación, 7 y se suministra un flujo de calor de una fuente, la cual está a la misma

temperatura que el agente de transformación, y del aparato sale el mismo flujo de

transformación pero con propiedades de salida distintos con los que entró, de acuerdo con lo

antes expuesto la pérdida de capacidad de trabajo del flujo de agente de transformación y de

calor, ser6 :

25

En el caso que en el aparato térmico no se realiza trabajo útil, la pérdida de capacidad

de trabajo, evidentemente será :

En la magnitud AW entran las pérdidas de capacidad de trabajo debidas tanto al

rozamiento como al intercambio calorífico cuando la diferencia de temperaturas es finita; en

la magnitud AW se tienen en cuenta también las pérdidas de calor del aparato debidas al

intercambio calorífico con el medio amlbiente. Cabe mencionar que lo esencial del método

exergético, es el cdculo de las pérdidas de capacidad de producir trabajo.

Para la evaluación cuantitativa del grado de perfección termodinámica de un aparato

cualquiera se utiliza el concepto de rendimiento exergético, que se define como,

Para los aparatos térmicos que no producen trabajo útil, carece de sentido determinar

el rendimiento exergético por medio de la ecuación anterior. Para estos aparatos es lógico

determinar dicho rendimiento del modo siguiente :

rlexerg - - Qsal

Qent

26

Esta magnitud es medida de la irreversibilidad de los procesos que transcurren dentro

del aparato. E n las dos últimas ecuaciones, se entiende por q&nt, la suma de las exergías del

flujo de agente de transformación y del flujo del calor. El método exergético se emplea

actualmente en diversas ramas de la termotecnia y de la frigorífica.

27

V.- EL CICLO COMBINADO :

Se conoce como tal, a aquél que se basa en el acoplamiento de dos ciclos de potancia

diferentes, de tal manera que, el calor cle desperdicio de uno de los ciclos se usa parcial o

totalmente como la fuente de calor para el otro. Uno de los ciclos combinados en cuyo

desarrollo se trabaja activamente, incluye el empleo de un ciclo de turbina de gas (Brayton)

con un ciclo de turbina de vapor (Rankine); del cual trataremos con mayor frecuencia, por

tratarse del tipo de acoplamiento utilizado en la central termoeléctrica por analizar.

El desarrollo práctico del ciclo combinado de turbina de gas y de vapor se vio

retrasado hasta que la tecnología moderna proveyó los medios para construir plantas de

potencia de turbina de gas que operasen a relaciones de presión relativamente altas y con

temperaturas de entrada a la turbina superiores o del orden de los 1300 K. Para estas

temperaturas son características las relaciones de presión desde 10: 1 hasta 13: l .

En el mercado se encuentran disponijles plantas de potencia combinada de turbinas de

gas y de vapor. A medida que se mejore la tecnología de las turbinas de gas, las ventajas de

este ciclo combinado también aumentarán con respecto a las plantas ordinarias de potencia de

vapor. Aparte éste ciclo es extremadamente útil si se utiliza en conjunción con la con

combustibles gaseosos, pues no solo se mejora la eficiencia del ciclo en sí, sino que además

por poderse trabajar con gases combustibles, ofrece la ventaja adicional de eliminar

potenciales contaminantes del aire, como son las partículas sólidas.

La eficiencia global de un ciclo combinado y el cociente de los trabajos de los dos

ciclos se puede expresar en términos de las eficiencias térmicas individuales de cada ciclo.

Entre los diferentes tipos de ciclos combinados, éstos a su vez pueden clasificarse de

la siguiente manera :

Los gases que salen del ciclo de gas podrían pasar a través de un segundo quemador

antes de entrar al intercambiador de calor (recuperador de calor) del ciclo de agua, a esta

28

forma de operación se le conoce con el nombre de ciclo combinado con precombustión, es

decir se quema combustible en el segundo quemador y se eleva la temperatura de los gases

que salen de la turbina de gas. Otra posibilidad es agregar energía térmica al agua después de

que éSta salga del intercambiador de calor y antes de que entre en la turbina, a esta otra

forma de operación se denomina ciclo combinado con poscombustión; tal adición de calor

haría aumentar el grado de sobrecalentarniento del vapor antes de que entre a las turbinas y

con ella poder favorecer una mayor relación de expansión del ciclo de vapor.

i

29

VI.- DESCRIPCION GENERAL DE LA CENTRAL DE C. C. "EL SA U2 ":

La central termoeléctrica de ciclo combinado "El Sauz", se encuentra localizada en el

poblado de el Sauz, municipio de Pedrio Escobedo, Estado de Queretaro, Km. 176 de la

autopista México-Queretaro y a 36 Kms. ;al sureste de la ciudad de queretaro, región que está

a 1922 m. sobre el nivel del mar.

Para obtener la energía calorífica necesaria, utiliza utiliza combustible diesel o gas

natural en el proceso de combustión.

Esta central cuenta con un solo paquete de ciclo combinado del tipo gas-vapor, que

comprende el siguiente equipo principal :

* Tres unidades turbogas, marca Brown Boveri, modelo 11D5, con turbina de

reacción de 5 pasos.

* Compresor de flujo axial de 17 pasos.

* CAmara de combustión independiente,

diesel.

equipada con quemadores para gas o

* Tres compuertas de gases, una por cada unidad turbogas, las cuales permiten

la operación en ciclo simp1.e o combinado de las mismas.

* Tres generadores de vapor (tipo recuperadores de calor) marca Babcock and

Wilcox, con dos etapas de presión, circulación forzada.

* Una turbina de vapor, marca Brown Boveri, tipo reacción, modelo DK-21, sin

extracciones, 4 pasos de Li'labes de baja presión en cada lado,y 21 pasos de alta

presión.

30

Este ciclo combinado de gas-vapor, se representa esquemáticamente en la figura (3) y

el diagrama T - S en la figura (4).

La operación elemental de éste tipo de ciclo combinado, es como sigue:

El compresor toma aire del medio ambiente, comprimiéndolo para descargarlo a la

cámara de combustión, donde a su vez, se introduce el combustible ya sea gaseoso o líquido.

Los gases, producto de la combustión, entran a la turbina, la cual proporciona la

energía mecánica necesaria para mover el eje del generador eléctrico.

Los gases de escape de la turbina, aun con gran cantidad de calor, pueden desecharse

a la atmósfera (ciclo simple), o bien, utilizarse para la generación de vapor (ciclo

combinado), empleando un recuperador de calor, el cual genera el vapor necesario que se

expansionará en la turbina de vapor, la cud a su vez, proporcionará al igual que la turbina de

gas, la energía mecánica necesaria que accionará otro generador eléctrico. La fase de vapor

no cuenta con sistema de combustión, sinlo que únicamente utiliza los generadores de vapor.

De lo anterior se puede ver la importancia que representa el generador de vapor, ya

sirve de eslabón que une al ciclo Brayton y el ciclo Rankine.

E

31

VII-A.- BALANCE ENERGETIC0 DEL CICLO DE GAS :

para llevar a cabo el análisis del ciclo de gas, debido a que no se contaban con la

mayoria de los datos con los cuales poder realizar el balance de dicho ciclo, se recurrió a la

metodología desarrollada por el Profesor Eduardo de Mária y Campos, y el M. en C. Raul

Lug0 Leyte.

Esta metodología nos permite determinar los parámetros fundamentales para el ciclo

de gas, cuyo esquema se muestra en la figura 5. Los datos que se requieren conocer para

poder emplear éSta metodología son, las caídas de presión en los difusores y en la cámara de

combustión, la velocidad absoluta (C), el poder calorífico del combustible (HJ, la

temperatura de entrada de los gases a la turbina (T3), los rendimientos politrópicos tanto del

compresor, como de la turbina (qc y nit respectivamente), la eficiencia de la cámara de

combustión (qcc), así como también las cclndiciones ambientales del lugar (Po y To).

Los parámetros con los cuales se cuentan son los siguientes :

Po = 0.8 bar.

To = 293.15 K.

P2 = 7.4556 bar. (presión de descarga del compresor)

H, = 42064.56 W/kg (poder calorífico del combustible)

T3 = 1275.15 K (temp. de lals gases a la entrada de la turbina)

T4 = 798.15 K. (temp. de los gases a la salida de la turbina)

P4 = 0.83 bar. (presión de los gases a la salida)

m, = 212 kg/s (flujo de aire a la entrada)

m, = 214 kg/s (flujo de gases de la combustión a la salida)

32

Como se ha dicho anteriormente, debido a no poder contar con los demás datos

necesarios, se recurrió a considerar condiciones recomendadas por los creadores de éste

método, en base a los conocimientos y experiencias adquiridas, de tal forma, las condiciones

prefijadas quedan de la siguiente manera :

Factor de fricción ( ) para los tres primeros difusores = 0.3

Factor de fricción ( 1; ) para el cuarto difusor = 0.5

Pérdidas de presión en la cámara de combustión ( APcc ) = 3 %

Velocidad axial de los gases en la turbina ( C, ) = 300 m/s

Rendimiento politrópico del compresor ( q C ) = 0.88

Rendimiento politrópico de la turbina ( qt ) = 0.90

Eficiencia de la cámara de combustión ( q C c ) = 0.98

1 .-

2.-

so

3.-

4.-

= > 20 "C

A continuación se presentan los resultados arrojados por éSta metodología :

Condiciones Iniciales.

To = 293.15 K

Po = 0.8 bar.

Mediante éstos datos se obtienen de tablas para el aire del Rivkin los valores de ho y

ho = 293.29 H/kg

so = 6.6789 M/kg K

33

A la entrada del compresor, la presión es menor que la presión del medio ambiente

debido a la caída del mismo en los difusores, de aproximadamente 0.5 %, generalmente por

efectos de fricción, por tanto, las condiciones son :

5.-

6.-

7.-

8.-

TI = 293.15 K

hl = 293.29 kJ/kg

s1 = 6.6789 kJ/kg K

PI = Po (1-0.005) = 0.7960 b u

Relación de compresión (II,) :

Teniendo en cuenta que según la1 información con que se cuenta P2 = 7.4556 bar,

por lo tanto,

9.- I I c = PJP1 = 7.4556 / 0.7960 = 9.366

10.- Asc = R In I I c donde: R es la constante particular del aire.(0.287

kJ/kg . K)

Asc = 0.287 * In 9.366 = 0.64205 H/kg K

11 .- S, = SI + (Asc / qc ) = 6.6789 + ( 0.64205 / O. 88 ) = 7.4085 kJ/kg K

En las tablas de aire del Rivkin con el valor de S,, se obtienen los de h, y T2 :

12.- TZ = 599.62 K

13.- h, = 606.57 H/kg

El trabajo suministrado al compresor, se obtiene de la siguiente manera :

14.- Wcomp. = h, - hl = 606.57 - 293.29 313.28 H/kg

34

Wcomp = wcOmp * m, = 313.28 kJlkg * 212 kg/s = 66415.36 kW

Cámara de Combustión :

Para determinar los valores de la entalpía y entropía a la entrada de la turbina , se

necesita conocer la cantidad de gases productos de la combustión (X), para lo cual se debe

realizar lo siguiente.

Suponer que a la turbina únicarnente entra aire (X =O), con el dato de T3, se

encuentran el valor de h3, en este caso :

15.- T, = 1298.15 K

16.- X = 0.0

17.- h3 = 1368 H/kg

El calor suministrado al ciclo (q), resulta de la diferencia de entalpías, es decir,

entalpía de salida menos entalpía de entrada, dividida por la diferencia de la cámara de

combustión :

18.- q = (h3 - h,) / qcc = (1368 - 606.57) / 0.98 = 776.9694 kJ/kg

La relación de aire-combustible (B), es posible obtener, dividiendo el calor

suministrado entre el poder calorífico del combustible,

19.- B = q / H, = 776.9694 / 42064.156 = 0.0184709 (kg.comb / kg.aire)

La cantidad de aire estequiométrico (A), está dada por,

20.- h 14.7 * B = 14.7 * 0.0184709 = 0.2715219

La cantidad de gases (X) que se encuentran en la mezcla aire-gases de combustión, se

calcula mediante :

35

21.- X = (B + A) / (1 - X) = (0.0184709 + 0.2715219) / (1 - 0.2715219) = 0.398080

Una vez obtenido el valor de X, con dicho valor y la temperatura de los gases a la

entrada de la turbina (T3), se utiliza el diagrama de Propiedades Termodinámicas del aire-

gases de combustión, preparado por el Profesor de Mária, y así conseguir el valor de la

entalpía de la mezcla aire-gases de combustión, con la que entra a la turbina. Este

procedimiento es iterativo, hasta que la cantidad de los gases de combustión en la mezcla

permanezca invariable. Una vez que el valor de X no vade, con ayuda de este mismo y la

T3, en el diagrama del profesor de Mária !;e obtienen los valores para la entalpía y la entropía

a la entrada de la turbina.

En éste caso los resultados arrojados luego de cuatro iteraciones, son :

22.- X = 0.458612

23.- h3 = 1449 H/kg

24.- ~3 = 8.3550 H/kg K

25.- q = 859.622449 H/kg

Q = q * m, = 859.622449 kJ/kg * 214 kg/s = 183959.2041 kW

Dentro de la cámara de combusticin llegan a existir caídas de presión, del orden del 3

%, por lo tanto la presión a la salida de I,a misma será,

26.- P3 = P2 * (1 - 0.03) = 7.4556 * ((1 - 0.03) = 7.231932 bar

A la salida de la turbina, se cuentan con los siguientes cálculos :

27.- P4 = 0.83 bar

28.- nt = P3 / P4 = 7.231932 / 0.83 8.713171084

36

29.- As, = R * In I l t = 0.287 * In (8.713171084) = 0.6213078743 kT/kg K

30.- ~4 = ~3 - (Q * A%) = 8.3550 - (0.90 * 0.6213078743) =

s4 = 7.795822913 kJ/kg K

En este punto, con ayuda del diagrama del Profesor de Mária y los valores de X y s4,

se obtienen los de T4 y h4,

31.- T4 = 820 K => 546.85 "C; y

32. - h4 = 844 W/kg 1 4 6 5 1 9

Como se podrá observar, la temperatura calculada a la salida de la turbina, no

coincide con la reportada en los esquemas que fueron proporcionados tanto por la Comisión

Federal de Electricidad y la Brown Boveri, ésto se podría deber al gran número de

suposiciones hechas dentro de éSta metodología, como podrían ser los coeficientes de fricción

en los difusores, en los rendimientos del compresor y la turbina, en la eficiencia de la cámara

de combustión, etc. En vista de ésto, es posible también poder apreciar la gran utilidad del

método pues permite, en cierta forma, ,jugar con los parámetros antes citados para así ir

aproximándose a su operación real, y es así que a continuación se puede observar como es

posible, en base a el dato de temperatura dada, es posible en cierta forma corregir el

rendimiento politrópico de la turbina.

33.- T4 = 798.15 K

27.- P4 = 0.83 bar

22.- X = 0.458612

Se sabe que :

Son datos ya conocidos, s3 y A&; .mientras que del diagrama del profesor de Mária,

con los valores de X y T4 se puede conocer s4, para así determinar por medio del método, el

rendimiento politrópico de la turbina de gas,

34.- qt = ( ~ 3 - ~ 4 ) / As ~(8.3550 - 7.8345) / 0.6213078743=

qt = 0.8377489189

qt = 83.77 %

35.- S, = 7.8345 kJ/kg K

36.- h4 = 879.44 kJ/kg

37.- WtUb = h3 - h4 = 1449 - 879.44 = 569.56 W/kg

W,, = W t U b * m, = 569.56 kJ/kg * 214 kg/s = 121885.84 kW

38.- WnetoT.G. = wtwb - wcomp = 121885.84 - 66415.36 =

WnetoT.G. = 55470.48 kW

39.- Vtérmlca W,,,, / Q = 55470.48 / 1.83959.2041 = 0.3015368558

38

VII-B.- BALANCE ENERGETIC0 DEL CICLO DE VAPOR :

Para la elaboración de esta parte del trabajo, en base a la información ya más

enriquecida en datos, se procedió a calcular los diferentes parámetros que resultan necesarios

para llegar al objetivo; estos datos fueron sustraídos en base al diagrama esquemático que se

muestra en la figura 6, para un factor de carga del 100 %.

Los parametros fueron obtenidos mediante el manejo de tablas para el vapor de agua

(Tablas de Vapor-Keenan y Keyes), y los resultados se presentan a continuación :

Estado m (kgM ~ " 1 0 ~ 3 S kJ/kgK h kJ/kg P (bar) T (K) mA3/kg

I -" l. 0697 l. 6343 546.27 2.7 403.15

I1

78.9 80.72 6.9878 3375.2 40.9 743.15 VI11

(26.3)*3 76.85 6.9750 3383.8 43.2 748.15 VI1

(26.33)3 44.42 6.0233 2798.6 45 530.15 VI

(26.33)3 l . 1424 2.1348 764.99 45 453.05 V

(26.33)3 1 .O675 l. 6293 549.3 45 403.15 IV

(5.2)*3 587,5 6.9810 2726.8 3.1 1408.15 111

(5.2)*3 l. 0700 1.6333 546.44 3.1 403.15

, -

IX 78.9 17419.9 7.6052 2373..93 0.076 313.68

X 80.7 17481.2 7.6299 2381.66 0.076 313.75

Región

L.S.

L.C.

V.S.

L.C.

L.C.

V.S.

V.S.C.

V.S.C.

V.H(.92)

V.H(.92)

39

XI 313.75 0.076 169.80:8 0.5796 1 .O08 80.7 L.S.

XI1 313.75 3.1 169.808 0.5785 l. 0079 80.7 L.C.

x111 314.15 3.1 172.96 0.5853 1 .O081 80.8 L.C.

XIV 403.15 2.7 2720.5 7.0269 668.5 1.8 V.S.

xv 530.15 45 2798.6 6.0233 44.42 (26.3)*3 V.S.

O 313.75 O. 076 2190.*4 6.9878 15969.4 78.9 V.H.

1.-

2.-

3.-

Iniciaremos el balance, analizando las bombas :

WbBp = hl - hl = 546.44 - 546.27 = 0.17 M/kg

Wb~p = WbBp * m1 = (0.17 kJ/kg) * (5.2 kg/S) = 0.88 kW

WbM = h4 - hl = 549.3 - 546.27 := 3.03 M/kg

WbM = WbM * m4 = (3.03 W/kg) * (26.33 kg/s) = 79.7799 kW

Whond = h12 - h,, = 169.8082645 .- 169.808 = 2.645e-04 M/kg

Wbcond = Wbcond * m12 (2.645e-04 kJ/kg) * (80.7 kg/s)

Wbcond = 2.1345 le-O2 kW

Teniendo en cuenta que, el paquete de bombas de todo el ciclo más consumidoras,

son : 3 para el recuperador de baja presión, 3 para el de alta, y la de condensado, por lo

tanto, para el trabajo total y global del ciclo :

40

4 .- Wb total-globd = (WbBP ) * 3 + (WbAP ) * 3 + (Wbcond)

= (0.88) * 3 + (79.7799) * 3 + 2.13451e-02 = 242.0010452 kW

A continuación se estudiarán los intercambiadores de calor; analizando el recuperador

de calor, obtendremos los calores transferidos en los procesos de baja y alta presión :

5.- qBp = h, - h2 = 2726.8 - 546.44 =: 2180.36 kJ/kg

GP = qBp * m, = (2180.36 kJ/kg) * (5.2 kg/s) = 11337.872 kW

6.- qAP = h7 - = 3383.8 - 549.3 = 2834.5 kJ/kg

QAP = (h6 - h4) * m4 + (h7 - h6) * :m6 =

Q9 = (2249.3 * 26.33) + (585.2 * 26.3) = 74614.829 kW

Y de la misma manera como se m,anejó lo del trabajo total global de las bombas, para

el caso del calor suministrado, también se debe tener en cuenta que son 3 los recuperadores

que se e s h operando, por lo tanto,

7.- QAPbtal = QAp * 3 = 74614.829 * 3 = 223844.487 kW

En el condensador el calor comunicado al agua de enfriamiento será,

Y así se llega al análisis de la turbina, donde el trabajo está dado por,

9.- Wturblna = hg - h, = 3375.2 - 2373.93 = 1001.27 H/kg

41

10.

11.

W&ha = 78999.99 kW

w n e t o T.V. = w t u r b m a - w b total-global - -

W n e t o T . V . = 78999.99 - 242.001045:2 = 78757.989 kW

q térmica = W n e t o T . V I QApmtal = 78757.989 I 223844.487 =

q térmica = 0.35184

ll térmica = 35.184 %

Ahora bien, únicamente resta corlocer la eficiencia térmica global de todo el ciclo

combinado, para lo cual se aplica la siguiente ecuación :

“I temica global = W t o t a , neto T.G. + W n e t o ~ . ~ ) / Qsum

donde :

Wtota1netoT.G. = W n e t o T.G. * 3 ; y

Qsum = Q * 3

por lo tanto :

témlcaglobal = (166411.44 + 7875‘7.989) 1 551877.6123 =

17 térmlcaglobal = 245169.429 1 551877.6123

77 térmlca global = 0.4442

t6rmica global = 44*42

42

VIII-A.- ANMISIS EXERGETICO DEL CICLO DE GAS :

Como se podrá recordar, la exerg,ía ( $ ) de flujo de agente de transformación, se

determina por la ecuación :

Mientras que la exergía de un flujo de calor q ( $q ), por la ecuación :

A continuación, se aplicarán éstas relaciones a cada uno de los elementos de la

instalación, para así, determinar sus capacidades para producir trabajo, con respecto a un

punto de referencia, en este caso la del m'edio ambiente, cuyas propiedades son :

To = 293.15 K

Po = 0.8 bar

Lo cual nos permitirá localizar o determinar, en qué elementos del proceso, se esa

perdiendo parte de la energía que contiene nuestro fluido de trabajo.

Condiciones iniciales :

1.- To = 293.15 K

2.- Po = 0.8 bar

de tablas para el aire (Rivkin) se obtienen en base a los datos anteriores, la h, y la S, :

3.- h, = 293.15 kJ/kg

4. - SO 6.6789 kJ/kg K

A la salida del primer difusor :

43

5.- 41 = (h, - h,) - To (sI - so) ; pero hl = h, y s1 = S,, por lo tanto

= O kJ/kg

A la salida del compresor :

6.- $2 = (h2 - ho) - TO ( ~ 2 - SO) = (606.57 - 293.29) - 293.15 (7.40850 - 6.6789)

$2 = 313.28 - 293.88224 = 99.39'776 W/kg

Q = (b2 * m, = (99.39776 kJ/kg) * (212 kg/s) = 21072.32512 kW

En la cámara de combustión, 1;3 energía química contenida en el combustible,

representa la máxima disponibilidad que se tiene, y como se concideró anteriormente, la

eficiencia de la cámara de combustión es del 98 % .

7.-

8.-

9.-

$comb = H, = 42064.56 W/kg comb

= H , * 2 kg/S = 84129.12 kw

A la salida de la cámara de combustión :

4 3 = (h3 - ho) - TO ( ~ 3 - SO) = (1449 - 293.29) - 293.15 (8.3550 - 6.6789) =

4 3 = 1155.71 - 491.348715 = 664.361285 kJ/kg

m3 = 43 * m, = (664.361285 kJ/kg) * (214 kg/s) = 142173.315 kW

A la salida de la turbina de gas :

44 = (h4 - ho) - TO (S, - SO) = (8'79.44 - 293.29) - 293.15 (7.8345 - 6.6789) =

4, = 586.15 - 338.76414 = 247.38586 W/kg

cD4 = 4, * m, = (247.38586 Wkg) * (214 kg/s) = 52940.57404 kW

44

pérdida de la capacidad de producir trabajo por cada uno de los elementos del

proceso, son generadas por las irreversibilidades ( I ). Por lo tanto, se llevan a cabo los

siguienrtes balances.

10.- 11.0 = O kJ/kg para el primer difusor.

Para en compresor, se tiene :

11.- wcomp + $l = $2 + Iz-l; por tanto,

12-1 = (wcomp + $1) - $2 = (313.28 + O) - 99.39776 =

IZb1 = 213.88224 kJ/kg

En la cámara de combusti6n,

12 .- $comb -k $2 = $3 + 13-2

13-2 = ($comb + $2) - $3 = (42064.56 + 99.39776) - 664.361285 =

En las turbinas :

13 * - Wturbina -k $4 = $3 - 14-3

143 = $3 - ( ~ t ~ b ~ ~ ~ + $4) = 664.631285 - (569.56 + 247.38586) =

I,, = - 152.314575 kJ/kg

Con éstos datos, se puede determinar el rendimiento exergético del ciclo de gas, por

tanto, aplicando la f6rmula siguiente :

45

donde : es la exergía que entra al sistelma, en éste caso del ciclo de gas los puntos en los

cuales ocurre el suministro son : en el compresor y en la cámara de combustión; e I,,, como

se había dicho son las irreversibilidades tolales del ciclo :

46

VIII-B.- ANALISISIS EXERGETICO DEL CICLO DE VAPOR :

En base a los datos obtenidos en la sección VI-B, podemos calcular las exergías

puntuales, ántes de cada elemente del proceso, mediante la definición de exergía, es así por

tanto que, según el diagrama :

Condiciones iniciales del agua : Eh éSta parte los datos de entalpía y entropía, son

considerados los del agua, por ser el agent.e de transformación,

15.- TO = 293.15 K

16.- PO = 0.8 bar

De tablas para el agua :

17.- ho = 83.96 kJ/kg

18.- SO = 0,2966 kJ/kg K

Por definición :

19.- $1 = 70.163245 kJ/kg

20. - 4 2 70.626395 kJ/kg

21.- 4 3 = 683.30814 kJ/kg

22.- $4 = 74.658995 kJ/kg

23.- $5 = 142.16167 W/kg

24.- $6 = 1035.857895 kJ/kg

25.- 47 = 1342.06704 kJ/kg

26.- Qs = 1329.71472 kJ/kg

47

27.- $9 = 147.45391 kJ/kg

28.- $lo = 147.943105 kJ/kg

29.- = 2.88655 M/kg

30.- $12 = 3.209015 H/kg

31.- bI3 = 4.367595 kJ/kg

32.- $14 = 663.552555 kJ/kg

33.- $15 = 1035.857895 kJ/kg

Ahora bien, las pérdidas en la exergía de los fluidos debido a las irreversibilidades

generadas a través de su paso por cada uno de los elementos del proceso son :

A la salida de la bomba de baja presión, la cual alimenta al recuperador se tiene que :

34.- = - $2

A$1-2 = 70.16 - 70.63 = - 0.47 kJ/kg

cabe destacar que cuando la diferencia arroja un resultado con signo negativo indica que se le

está suministrando calor o trabajo al fluido de trabajo, la cantidad anterior corresponde por lo

tanto al aumento de exergía por el paso del fluido a través del recuperador de calor de baja

presión.

48

A414 = 70.16 - 74.66 = - 4.5 kJ/k;p

Dentro del recuperador en la sección de alta presión la variación de exergía es :

A$4-7 = 74.66 - 1035.86 = - 961.2 kJ/kg

Las pérdidas de exergía dentro de las tuberías de vapor, generalmente por fricción y

por transferencia de calor al medio, estan dadas por,

Dentro de la turbina las pérdidas, se deben a la expansión del vapor en las mismas,

así como también, a la transferencia de caJor y la fricción,

Las pérdidas dentro del condensaldor, se obtienen de la siguiente forma, teniendo en

cuenta que no realiza trabajo útil :

En la bomba de condensado la diferencia de exergías es :

49

IX.- CONCLUSIONES :

El balance exergético a diferencia del balance energético muestra las pérdidas debidas

a la irreversibilidad que ocurren en varios procesos que se llevan a cabo en la planta de

potencia, tales como la combustión y la transferencia de calor entre los gases de combustión

y el fluido de trabajo, entre otros .

La exergía es una herramienta con la cual se ubican y determinan las pérdidas de la

disponibilidad de trabajo, y ademis, se obtiene la eficiencia real del proceso.

Al efectuar un análisis energético a la planta de potencia, resulta que en el

condensador se tienen las mayores pérdidas de energia, sin embargo, al realizar el análisis

exergéticopara conocer la calidad de la energia, resulta que las pérdidas en el condensador

son menores que las que se generan al efectuarse la combustión y en la transferencia de calor

entre los mismos gases de combustión y el fluido de trabajo.

Del análisis exergético, se desprende que para mejorar la eficiencia de esta planta de

potencia, es necesario enfocarse al proceso de combustión y de recuperación de calor de los

gases productos de la misma, debido a que en estos procesos se encuentran las pérdidas más

elevadas de disponibilidad de trabajo del fluido.

50

X.- BIBLIOGRAFIA :

Termodin6mica, Teoría Cinética y Termodinámica Estadística.

Francis W. Sears.

Gerhard L. Salinger.

Segunda edición (1980).

Editorial REVERTÉ, S.A.

Termodinámica.

Kenneth Wark.

Quinta edición (segunda edición en español) (1990)

Editorial McGRAW-HILL.

Termodinámica.

Irving Granet, P.E.

Tercera edición (1989).

Editorial PRENTICE-HALL HISPANOAMERICANA, S. A.

51

FIGURA 2

52

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FIGURA 4

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1 1. TURBINA DE GAS

FIGURA 6

7 . BOMBAS AGUA ALlMENTAClON 8. P. 13.BOM B A S DE CONDENSADO 19 DOMO DE B A J A P R E S I O N 2 . GENERADOR DE VAPOR 8 B Y - P A S S DE T . V . I4.EVAPOfiADOR DE BAJA P R E S I O H 20 BOMBA CIRCULACION FORZADA 8 . 3 . TURBINA DE VAPOR 9.VAPOR DE E X C E S O I5.ECONOMIZADOR 2 l . BOMBA CIRCV-ACION FORZADA A 4 CONDENSADOR DE VAPOR I O . EYECTOR SERVICIO 16.EVAPORADOR DE ALTA PRES ION 22 T O R R E DE ENFR IAM IENTO 5 DEAEREADOR 1 I EYECTOR ARRANOUE I7 .SOBRECALENTADOR 2 2 SUM IN I STRO DE COMBUSTIBLE 6 83M8AS AGUA ALIMEHTACION A P. I 2.VAPOR RESPALDO A DEAEREAOOR I8.OOMO DE ALTA PRES;ON - . "~ - - - - ". - ~ - -. . .~ ". - 24 .CO'4PUERTA DE G A S E S __

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