Conceptos Fundamentales y Limitaciones de los Ciclos de Vapor

10-1 C: Limitaciones del Ciclo de Carnot en Centrales Eléctricas de Vapor

El **ciclo Carnot** no es un modelo realista para las centrales eléctricas de vapor debido a varias limitaciones:

• No puede acoplarse fácilmente con dispositivos reales.
• Presenta problemas en sus procesos de calentamiento y condensación, ya que los limita entre dos estados, lo que reduce la **calidad térmica**.
• Conduce vapor de baja calidad a la entrada de la turbina.
• Requiere un condensador que trabaje entre dos fases, lo cual es difícil de implementar en la práctica.

Por estas y otras razones, no es realista para centrales de vapor.

10-6C: Procesos del Ciclo de Vapor Ideal (Ciclo Rankine)

Los cuatro procesos fundamentales en una caldera y el ciclo asociado son:

1. **1-2:** Compresión isentrópica en una bomba.
2. **2-3:** Aplicación de calor a presión constante (en la caldera).
3. **3-4:** Expansión isentrópica en la turbina (Nota: El texto original mencionaba condensador aquí, lo cual es incorrecto para la expansión).
4. **4-1:** Rechazo de calor a presión constante (en el condensador).

Efectos de la Modificación de Parámetros (10-7, 10-8, 10-9)

Se evalúa el impacto de cambiar parámetros clave en el ciclo:

• Aumentar la presión en la caldera: Disminuye la salida de calor y todo lo demás aumenta (eficiencia, trabajo neto).
• Disminuir la presión en el condensador: Disminuye la salida de calor y todo lo demás aumenta (trabajo neto, eficiencia).
• Sobrecalentamiento de vapor: Disminuye el contenido de humedad, el trabajo en la bomba sigue igual y todo lo demás aumenta (eficiencia, trabajo neto).

10-10C: Diferencias entre Ciclos Reales e Idealizados de Energía de Vapor

Los ciclos ideales difieren de los reales en los siguientes aspectos:

• Los **ciclos ideales** no presentan pérdidas de presión o de calor.
• Los **ciclos reales** tienen **irreversibilidades** ocasionadas por la fricción del fluido con los componentes.
• Estas irreversibilidades provocan caídas de presión en la caldera, el condensador y las tuberías, afectando la presión a la entrada de la turbina y a la salida del condensador.
• Existen pérdidas de calor del vapor en todo el recorrido entre los componentes.

10-12C: Evaluación de la Propuesta de Enfriamiento de la Turbina

Planteamiento: La entropía del vapor de agua aumenta en las turbinas reales debido a las irreversibilidades. Se propone enfriar el vapor haciendo circular agua de enfriamiento alrededor de la carcasa de la turbina para controlar el aumento de entropía, lo que supuestamente reduciría la entropía y entalpía a la salida, aumentando la producción de trabajo.

Evaluación:

Esta propuesta sería **negativa para el trabajo de la turbina**. Si se le quita calor al vapor, este perderá energía que ya no se convertirá en trabajo útil. Además, existe el riesgo de reducir la calidad del vapor, lo que podría afectar negativamente a la turbina.

10-13C: Viabilidad de la Presión del Condensador

Pregunta: ¿Es posible mantener una presión de 10 kPa en un condensador que se enfría mediante agua de río que entra a 20 °C?

Respuesta: Sí, es posible. La **temperatura de saturación** correspondiente a una presión de 10 kPa es significativamente menor a 20 °C. Por lo tanto, el agua de río a 20 °C es lo suficientemente fría como para condensar el vapor a 10 kPa.

Modificaciones Avanzadas del Ciclo Rankine

10-30C: Efectos del Recalentamiento en el Ciclo Rankine Simple Ideal

Cuando un ciclo Rankine simple ideal se modifica con **recalentamiento** (manteniendo el flujo másico igual):

• Trabajo por la bomba: Queda igual.
• Trabajo por la turbina: Aumenta.
• Calor suministrado (Q_in): Aumenta.
• Calor rechazado (Q_out): Aumenta.
• Contenido de humedad (a la salida de la turbina): Disminuye.

10-31 C: Presión Óptima para el Recalentamiento

¿Hay una presión óptima para recalentar el vapor de agua en un ciclo Rankine?

Sí, generalmente se considera óptima una presión de recalentamiento que se sitúa alrededor de **un cuarto de la presión máxima** del ciclo. Esta optimización permite alcanzar el estado de vapor sobrecalentado después del recalentamiento y su posterior aprovechamiento en la segunda etapa de la turbina, lo que resulta en un mayor nivel de calidad del vapor a la salida de la turbina y una mejor **eficiencia térmica**.

10-42C: Efectos de la Regeneración en el Ciclo Rankine Ideal Simple

Cuando el ciclo Rankine ideal simple se modifica con **regeneración** (manteniendo el flujo másico a través de la caldera igual):

• Trabajo de la bomba ($W_b$): Aumenta (debido a que se requiere mayor presión de descarga en la bomba o se usan múltiples bombas).
• Trabajo neto ($W_{neto}$), Calor suministrado ($Q_{in}$) y Calor rechazado ($Q_{out}$): Disminuyen.
• La calidad del vapor ($x$): Se mantiene igual (o mejora la calidad a la entrada de la turbina).

10-43C: Justificación de la Extracción de Vapor para Regeneración

Planteamiento: Durante la regeneración, se extrae vapor de la turbina para calentar el agua líquida que sale de la bomba. Esto parece contraproducente, ya que el vapor extraído podría producir más trabajo en la turbina.

Justificación: Aunque se sacrifica una pequeña cantidad de trabajo de salida inmediato de la turbina, la regeneración permite obtener un fluido (agua de alimentación) con una **temperatura mayor** a la entrada de la caldera. Esto reduce significativamente la cantidad de calor que debe suministrarse en la caldera para alcanzar el punto de sobrecalentamiento deseado, lo que resulta en un **ahorro sustancial de combustible y calor** y, consecuentemente, en una mayor eficiencia general del ciclo.

10-44C: Diferencias entre Calentadores Abiertos y Cerrados de Agua de Alimentación

La distinción principal radica en la mezcla de fluidos:

• Calentadores Abiertos (Open Feedwater Heaters): Mezclan directamente el vapor extraído de la turbina con el fluido que proviene de la bomba. Ambos deben estar a la misma presión para mezclarse y continuar el recorrido juntos.
• Calentadores Cerrados (Closed Feedwater Heaters): No permiten el contacto directo entre el vapor extraído y el fluido de la bomba. Intercambian calor entre ellos, y el condensado del vapor extraído se drena a una cámara de condensado o se mezcla en otra etapa.

10-45C: Comparación de Eficiencias (Ciclo Simple vs. Regenerativo)

Comparación:

En un **ciclo Rankine regenerativo**, se aprovecha el vapor caliente extraído de la turbina para precalentar el agua de alimentación antes de que ingrese a la caldera. Esto significa que se necesita suministrar **menos calor neto en la caldera** para alcanzar la misma temperatura máxima de vaporización. Por lo tanto, el **ciclo Rankine regenerativo presenta una mayor eficiencia térmica** en comparación con un ciclo Rankine ideal simple.