Ciclos termodinámicos para centrales termoeléctricas
Introducción
¡Hola!
Es todo un privilegio contar con tu asistencia en esta nueva sesión, es muy seguro que la vas a disfrutar y aprenderás mucho, es por ello que te invito a la clase nueve denominada Ciclos termodinámicos para centrales termoeléctricas.
En esta clase veremos la selección del generador eléctrico de una central generadora de energía eléctrica.
El objetivo es proporcionarte las técnicas y herramientas para resolver problemas en el ámbito del diseño de redes eléctricas.
En esta clase digital se verán los conceptos de los ciclos termodinámicos para centrales termoeléctricas de una central generdora de energía eléctrica, la cuál es una instalación empleada en la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada por combustibles fósiles como petróleo, gas natural , carbón y núcleos de uranio. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica a través de una serie de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regresa a su estado inicial.
Por lo anterior te invito a que durante el desarrollo de la presente clase tengas un pensamiento crítico y reflexivo en cada uno de los temas que veremos, de la misma manera están programadas varias actividades que se llevarán a cabo a lo largo de nuestro curso.
Sin más por el momento comencemos esta clase y mis mejores deseos para poder completar con éxito nuestro temario.
Desarrollo del tema
Ciclos termodinámicos
En el campo de los sistemas energéticos es importante establecer o predecir el comportamiento de las centrales generadoras de potencia. Sin embargo, establecer el comportamiento de estos sistemas es complicado por todas las variantes que intervienen en el proceso de generación de potencia. Por tal motivo, se utilizan herramientas computacionales que permitan hacer el cálculo de los estados termodinámicos con mayor rapidez y precisión, que sirva como base para el análisis energético de las centrales termoeléctricas, es decir, obtener el trabajo motor y la eficiencia con la que opera el ciclo térmico.
En México, la mayoría de las centrales termoeléctricas operan bajo el funcionamiento de los ciclos Rankine con sobrecalentamiento, recalentamiento y regeneración. En gran número, las plantas trabajan con trenes de calentamiento constituidos por seis o siete calentadores de los cuales uno es abierto. En la actualidad en México, aproximadamente el 40 por ciento de la generación de potencia eléctrica es a través de termoeléctricas.
En el ciclo de vapor de las centrales termoeléctricas con 6 calentadores en el tren de calentamiento, se tienen 28 estados termodinámicos, en cada uno se tienen que calcular presión, temperatura, volumen específico, entalpía y entropía específica, así como en las estrangulaciones y expansiones de la turbina, la calidad del vapor, etc.
Ciclo Rankine
El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizadas, como en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.
La diagrama 1 muestra los estados principales del ciclo definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4: líquido subenfriado).
El ciclo ideal (totalmente reversible), se define como sigue:
- 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma.
- 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga.
- 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera.
- 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero esta suele ser muy pequeña y suele despreciarse).
En un ciclo más realista que el ciclo Rankine ideal descrito, los procesos en la bomba y en la turbina no serían isoentrópicos y el condensador y la caldera presentarían pérdidas de carga. Todo ello generaría una reducción del rendimiento térmico del ciclo. El rendimiento isoentrópico de la turbina, que representa el grado de alejamiento de una turbina respecto al proceso ideal isoentrópico, jugaría un papel principal en las desviaciones al ciclo ideal y en la reducción del rendimiento. El rendimiento isoentrópico de la bomba y las pérdidas de carga en el condensador y la caldera tendrían una influencia mucho menor sobre la reducción de rendimiento del ciclo.
Ciclo Brayton
El ciclo Brayton, también conocido como ciclo Joule o ciclo Froude, es un ciclo termodinámico consistente, en su forma más sencilla, en una etapa de compresión adiabática, una etapa de calentamiento isobárico y una expansión adiabática de un fluido termodinámico compresible (Tal y como se observa en la diagrama 2). Es uno de los ciclos termodinámicos de más amplia aplicación, al ser la base del motor de turbina de gas, por lo que el producto del ciclo puede ir desde un trabajo mecánico que se emplee para la producción de electricidad en los quemadores de gas natural o algún otro aprovechamiento –caso de las industrias de generación eléctrica y de algunos motores terrestres o marinos, respectivamente–, hasta la generación de un empuje en un aerorreactor.
Al emplear como fluido termodinámico el aire, el ciclo Brayton puede operar a temperaturas elevadas, por lo que es idóneo para aprovechar fuentes térmicas de alta temperatura y obtener un alto rendimiento termodinámico.
En la actualidad, el ciclo Brayton se asocia al motor de turbina de gas, si bien Brayton jamás diseñó otra cosa que un motor de pistones. Aunque el fluido termodinámico sufre los mismos procesos que aquellos a los que se sometía en su versión de motor de pistones, la turbina de gas presenta la característica diferencial de que es un motor de flujo continuo. Ello implica que el fluido, habitualmente aire, es continuamente admitido y continuamente expulsado del motor, a diferencia de los motores de pistones, en los que la admisión y la expulsión es intermitente.
El desarrollo de la turbina de gas se produce básicamente a principios del siglo XX, y es consecuencia de solucionar la principal problemática técnica asociada al ciclo Brayton, a saber, la etapa de compresión. La compresión de un fluido compresible no es sencilla: los motores de pistones solventan el problema confinando al gas en una cámara cerrada –el cilindro–, y reduciendo el volumen de la misma por medio de un pistón, lo cual produce un incremento de la presión; sin embargo, ello conduce a motores esencialmente pesados y de grandes dimensiones para grandes potencias, al requerirse una elevada inercia mecánica para poder garantizar su funcionamiento de manera continuada. La turbina de gas emplea, por el contrario, un compresor, consistente en uno o varios escalones de álabes rotatorios que empujan al aire, transmitiéndole una energía cinética que primero lo acelera y luego, por medio de unos álabes fijos, lo frenan para convertir el exceso de energía en presión. Como quiera que tal proceso implica trasladar a un fluido de una zona de bajas presiones a otra de altas presiones, proceso el cual poco favorecido por la termodinámica, la compresión de esa manera resultaba muy problemática y poco efectiva en el siglo XIX.
Ciclo combinado
Se denomina ciclo combinado en la generación de energía a la coexistencia de dos ciclos termodinámicos en un mismo sistema, uno cuyo fluido de trabajo es el vapor de agua y otro cuyo fluido de trabajo es un gas producto de una combustión o quema.1 En la propulsión de buques se denomina ciclo combinado al sistema de propulsión COGAS.
Cogeneración
Los sistemas de intercambio de cogeneración son sistemas de producción en los que se obtiene simultáneamente energía eléctrica y energía térmica útil partiendo de un único combustible.
Al generar electricidad con un motor generador o una turbina, el aprovechamiento de la energía primaria del combustible es del 25% al 35%. El resto se pierde en forma de calor. Al cogenerar, se puede llegar a aprovechar del 70% al 85% de la energía que entrega el combustible. La mejora de la eficiencia térmica de la cogeneración se basa en aprovechar el calor residual de los sistemas de refrigeración de los motores de combustión interna al generar electricidad, utilizando el calor para calefacción.
El gas natural es la energía primaria más utilizada para el funcionamiento de las centrales de cogeneración de electricidad. También se pueden utilizar fuentes de energía renovables y residuos como biomasa o residuos que se incineran.
Además, esta tecnología reduce el impacto ambiental, porque aprovecha mejor la energía primaria. Si para producir una unidad eléctrica por medios convencionales se necesitan 3 unidades térmicas, mientras que en cogeneración se necesitan 1,5 unidades, la cantidad total de agentes contaminantes emitidos disminuirá en un 50%.
Te invito a ver el siguiente recurso en apoyo a tu aprendizaje:
Conclusión
En conclusión, la búsqueda de ciclos termodinámicos eficientes lleva hacia la mejora constante de los mismos. La finalidad de lograr este objetivo radica en la mejor utilización de los recursos para generar energía, lo cuál impacta en la eficiencia de la central generadora de energía eléctrica, sumado a la necesidad de tener el menor impacto ambiental posible. El entendimiento de estos ciclos es crucial para lograr procesos de generación más limpios, rentables y eficientes.
Has llegado al final de la clase. ¡Te felicito por tu importante logro! Te invito a realizar la consigna asignada en esta clase y mandarla como corresponde. No olvides que te espero en la siguiente sesión. Hasta entonces.
Fuentes de información
- Klempner, G., & Kerszenbaum, I. (2008). Handbook of Large turbo-generators, operation and maintenance. (2a ed.). Wiley-IEEE Press.
- Nag. P. K. (2002). Power Plant Engineering. (2a ed.).Tata McGraw Hill Education.
- Drbal, L., Westra, K., & Boston, P. (Eds). (1996). Power Plant Engineering. Springer EE. UU.