Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

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CAPÍTULO 10
Para aprovechar el aumento de eficiencia a bajas presiones, los condensadores
de las centrales eléctricas de vapor suelen operar muy por debajo de la
presión atmosférica. Esto no representa un problema mayor porque los ciclos
de potencia de vapor operan en un circuito cerrado. Sin embargo, hay un límite
inferior a utilizar para la presión del condensador, límite que no puede ser menor
a la presión de saturación correspondiente a la temperatura del medio de enfriamiento.
Considere, por ejemplo, un condensador que se enfría mediante un río
cercano que está a 15 °C. Si se permite una diferencia de temperatura de 10 °C
para la transferencia efectiva de calor, la temperatura del vapor en el condensador
debe estar arriba de 25 °C, por lo tanto la presión del condensador debe
ser mayor a 3.2 kPa, que es la presión de saturación a 25 °C.
Sin embargo, la reducción de la presión del condensador no deja de tener
efectos colaterales. Por un lado crea la posibilidad de las filtraciones de aire
dentro del condensador; y más importante aún es el incremento del contenido de
humedad del vapor en las etapas finales de la turbina, como puede verse en la
figura 10-6. La presencia de grandes cantidades de humedad es indeseable en
las turbinas, porque disminuye su eficiencia y erosiona sus álabes. Afortunadamente,
este problema se puede corregir, como se analiza posteriormente.
Sobrecalentamiento del vapor a altas
temperaturas (incremento de T alta,prom )
La temperatura promedio a la que el calor es transferido hacia el vapor puede ser
incrementada sin aumentar la presión de la caldera, gracias al sobrecalentamiento
del vapor a altas temperaturas. El efecto del sobrecalentamiento en el desempeño
de los ciclos de potencia de vapor se ilustra en un diagrama T-s en la figura 10-7.
El área sombreada en este diagrama representa el aumento en el trabajo neto,
mientras que el área total bajo la curva del proceso 3-3′ representa el aumento en
la entrada de calor. De este modo, tanto el trabajo neto como la entrada de calor
aumentan como resultado del sobrecalentamiento del vapor a una temperatura
más alta. Sin embargo, el efecto total es un incremento en la eficiencia térmica,
porque aumenta la temperatura promedio a la cual se añade calor.
El sobrecalentamiento del vapor a temperaturas más altas tiene otro efecto
muy conveniente: disminuye el contenido de humedad del vapor a la salida de
la turbina, como se observa en el diagrama T-s (la calidad del estado 4′ es más
alta que la del estado 4).
Sin embargo, la temperatura a la que el vapor se sobrecalienta está limitada
debido a consideraciones metalúrgicas. En la actualidad la temperatura de vapor
más alta permisible en la entrada de la turbina es de aproximadamente 620 °C
(1 150 °F). Cualquier incremento en este valor depende del mejoramiento de los
materiales actuales o del descubrimiento de otros nuevos que puedan soportar
temperaturas más altas. Las cerámicas son muy promisorias en este aspecto.
Incremento de la presión de la caldera
(incremento de T alta,prom )
Otra manera de incrementar la temperatura promedio durante el proceso de
adición de calor es aumentar la presión de operación de la caldera, lo cual
eleva automáticamente la temperatura a la que sucede la ebullición. Esto a su
vez eleva la temperatura promedio a la cual se transfiere calor al vapor y de
ese modo incrementa la eficiencia térmica del ciclo.
El efecto de aumentar la presión de la caldera en el desempeño de los ciclos
de potencia de vapor se ilustra en un diagrama T-s en la figura 10-8.
T
2
1
Incremento en w neto
3'
3
FIGURA 10-7
Efecto que provoca sobrecalentar el
vapor hasta temperaturas elevadas en el
ciclo Rankine ideal.
T
Incremento
en w neto
3′
2′
2
1
Disminución
en w neto
4
4′
4'
3
4
T máx
FIGURA 10-8
Efecto que produce incrementar la
presión de la caldera en el ciclo Rankine
ideal.
s
s