El Ciclo de Rankine ideal con Recalentamiento

Uno de los problemas para aumentar la eficiencia del ciclo de Rankine ideal es el contenido de humedad del vapor en las etapas finales de la expansión. Una turbina de dos etapas, con recalentamiento en el medio, es la solución al problema de humedad excesiva en las turbinas y se usa comúnmente en plantas de de energía de vapor reales. El único propósito del ciclo de recalentamiento es reducir el contenido de humedad del vapor en las etapas finales del proceso de expansión.

La diferencia entre el ciclo Rankine ideal simple y el ciclo de recalentamiento ideal, es que el proceso de expansión ocurre en dos etapas. En la primera etapa, la etapa de alta presión, el vapor se expande isentrópicamente a una presión intermedia y se envía de regreso a la caldera, donde se recalienta a presión constante, a la primera temperatura de entrada. En la segunda etapa, la etapa de baja presión, el vapor se expande isentrópicamente a la presión del condensador.


La entrada de calor total y la salida de trabajo total de la turbina para un ciclo de recalentamiento se convierten en:

qin = qcaldera + qrecalienta =  (h3 – h2) + (h5 – h4)

and:

wturb,out = wturb,high-P + wturb,low-P = (h3 – h4) + (h5 – h6)

wturb,out = wturb,high- + wturb,low-p = (h3 – h4) + (h5 – h6)

Un solo proceso de recalentamiento en una planta de energía moderna mejora la eficiencia del ciclo entre un 4 y un 5 por ciento al aumentar la temperatura promedio a la que el calor se transfiere al vapor. Se pueden usar más procesos de recalentamiento pero, debido al costo agregado y la complejidad para modificar el ciclo, no es práctico usar más de dos procesos de recalentamiento.

Ejemplo

La planta de energía de vapor funciona con el ciclo e Rankine ideal con recalentamiento. El vapor entra en la turbina de alta presión a 8 MPa y 500 °C y sale a 3 MPa. Luego, el vapor se recalienta a presión constante a 500 °C antes de que se expanda a 20 kPa en la turbina de baja presión. Determine la producción de trabajo de la turbina, en kJ/kg, y la eficiencia térmica del ciclo.

Este ejemplo se resolvió usando Engineering Equation Solver, o simplemente EES, pero también se pueden usar gráficos de vapor.

"State 1" 
P1=20 [kPa] 
x1=0 
h1=Enthalpy(Steam;x=x1;P=P1) 
s1=Entropy(Steam;x=x1;P=P1)
 
"State 2" 
P2=8000 [kPa] 
s2=s1 
h2=Enthalpy(Steam;s=s2;P=P2) 

"State 3" 
P3=8000 [kPa] 
T3=500 [C] 
h3=Enthalpy(Steam;T=T3;P=P3) 
s3=Entropy(Steam;T=T3;P=P3) 

"State 4" 
P4=3000 [kPa] 
s4=s3 
h4=Enthalpy(Steam;s=s4;P=P4) 

"State 5" 
P5=3000 [kPa] 
T5=500 [C] 
h5=Enthalpy(Steam;T=T5;P=P5) 
s5=Entropy(Steam;T=T5;P=P5) 

"State 6" 
P6=20 [kPa] 
s6=s5 
h6=Enthalpy(Steam;s=s6;P=P6) 

"Turbine Work Output" 
w_turb=(h3-h4)+(h5-h6) 

"Thermal efficiency of the cycle" 
q_in=(h3-h2)+(h5-h4) 
eta_therm=w_turb/q_in

La potencia de la turbina es de 1367 kJ/kg y la eficiencia térmica del ciclo es de 0,39 o 39%.