Félix Ignacio Pérez Cicala

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Descripción y funcionamiento de ciclos Rankine regenerativos

El ciclo Rankine es un modelo utilizado para estudiar el funcionamiento de ciclos de potencia que convierten energía térmica en energía mecánica. La fuente de energía térmica aporta calor al uido de trabajo, que cambia de fase y es turbinado. En la turbina, el uido de trabajo hace girar los álabes, obteniéndose energía cinética en el eje rotatorio de la turbina.

En su aplicación más común, el ciclo Rankine utiliza agua como uido de trabajo. Existen ciclos Rankine con uidos de trabajo distintos, como pueden ser los ciclos Rankine orgánicos, que utilizan compuestos orgánicos en vez de agua.

Los ciclos Rankine se utilizan hoy en día para generar potencia eléctrica, y pueden tener potencias de hasta 1 GW en centrales nucleares. El aporte de energía térmica es el principal elemento diferenciador entre centrales. Los tres tipos de aporte más utilizados son la combustión del carbón en las centrales térmicas, la energía residual de los gases de escape de la combustión del gas natural en centrales de ciclo combinado, y la sión del uranio en las centrales nucleares.

En la Figura 1.1 se muestra la producción de energía eléctrica a nivel mundial por fuentes. En 2015, la producción de energía eléctrica mediante carbón y gas natural fue superior al 60 % del total generado, y la producción con energía nuclear fue del 10 %. La producción de energía eléctrica mediante ciclos Rankine es mayoritaria a nivel mundial, y aunque se espera en el futuro que fuentes como el carbón pierdan relevancia, la exibilidad y abilidad de los ciclos Rankine garantiza que sigan en uso en el futuro.

1.1. Funcionamiento básico del ciclo Rankine

En la Figura 1.2 se muestra el diagrama básico de un ciclo Rankine para una central térmica, cuya caldera quema combustible fósil, por ejemplo carbón.

El ciclo Rankine de la Figura 1.2 tiene dos circuitos de agua (secciones A y C), y un circuito de gases de combustión (sección B). El generador eléctrico convierte la energía cinética de la rotación del eje de la turbina en electricidad.

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Figura 1.1: Consumo de energía eléctrica por fuentes en 2015 [2]

El circuito de agua principal (sección A) es el que será estudiado en este proyecto. Su funcionamiento básico es, recorriendo en sentido horario empezando por la bomba:

1.El agua es impulsada por la bomba hacia la caldera. La bomba puede ser eléctrica, o puede estar acoplada a una turbina secundaria alimentada con vapor extraído de la turbina principal.

2.En la caldera, se aporta energía térmica al uido de trabajo para cambiar de fase líquida a vapor. La caldera está compuesta por varios circuitos de diferente diseño, según su función es calentar agua líquida, evaporar o calentar vapor sobrecalentado.

3.El vapor sobrecalentado que sale de la caldera pasa por la turbina, donde pierde presión y temperatura. En la turbina, el paso del vapor hace girar los álabes, obteniéndose energía cinética en el eje rotatorio.

4.Al salir de la turbina, el vapor es recogido en el condensador, donde vuelve a pasar a estado líquido. El condensado es enviado a la bomba, cerrándose el ciclo.

En el condensador, el calor cedido al cambiar de fase el vapor (energía no aprovechada por la turbina) es rechazado al exterior. El circuito de agua de refrigeración (sección C en la Figura 1.2) enfría el condensador y trans ere el calor al ambiente. Este circuito puede estar refrigerado con torres de refrigeración de tiro natural o de tiro forzado, y también existen centrales de gran tamaño que refrigeran mediante agua de río o mar.

El aporte de calor puede provenir de cualquier fuente de energía térmica. Algunas de las más comunes son:

Combustibles fósiles como el carbón, o biomasa, quemados en una caldera. Es común que en centrales de gran tamaño el carbón se pulverize, quemándose el polvo de carbón en calderas de gran tamaño.

Gases de escape de una turbina de gas. En centrales de ciclo combinado, se recupera calor residual de los gases de escape mediante un HRSG (Heat Recovery Steam Generator). La central de ciclo combinado genera electricidad usando una turbina de gas, y comple-

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Figura 1.2: Ciclo Rankine básico [3]

menta la generación recuperando calor residual con un ciclo Rankine que utiliza el HRSG como caldera. Esta recuperación de energía residual mejora el rendimiento de la central, pudiendo alcanzar los ciclos combinados rendimientos del 60 %.

Energía procedente de la sión nuclear. En las centrales nucleares modernas de tipo PWR (Pressurized Water Reactor), el agua del ciclo Rankine no es calentada directamente por el reactor. Se utilizan dos circuitos independientes, un circuito primario de agua a alta presión que refrigera al reactor, y el circuito del ciclo Rankine que recoge el calor del circuito primario. Puesto que el uido de trabajo de ambos circuitos es agua, los ciclos Rankine de centrales nucleares operan a presiones y temperaturas menores que los de centrales térmicas, pero con mayor caudal.

Energía solar. En centrales termosolares, se utiliza la energía solar para calentar un HTF (Heat Transfer Fluid), que puede ser aceite en centrales de cilindro parabólico o sales fundidas en centrales de torre. El calor del HTF es aprovechado por un ciclo Rankine acoplado, utilizándose intercambiadores de calor para transferir la energía térmica del HTF al agua del ciclo Rankine.

En de nitiva, el ciclo Rankine posee una gran exibilidad, que ha permitido que sea utilizado en multitud de aplicaciones.

1.2. Ciclos Rankine regenerativos

Un ciclo Rankine se considera regenerativo si se recupera calor del vapor para lograr un calentamiento inicial del agua de alimentación antes de pasar por la caldera. En la práctica, el calen-

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tamiento inicial se produce en Feedwater Heaters (FWH). La función de un FWH es elevar la temperatura del agua de alimentación de la caldera, utilizando calor procedente de vapor extraído de la turbina. Al entrar el agua líquida a una temperatura mayor en la caldera, se reduce la cantidad de energía que es necesario aportar para vaporizar el agua, obteniéndose una mejora del rendimiento del ciclo.

Cuando una central cuenta con más de un FWH, el conjunto de calentadores se denomina tren de calentadores. El tren de calentadores se divide en una sección de baja presión, que calienta agua que aún no ha pasado por la bomba de alimentación, y una sección de alta presión que calienta el agua que ha atravesado la bomba de alimentación.

En la Figura 1.3, se muestra un diagrama de un ciclo Rankine con un tren de calentadores sencillo. Los FWH pueden ser calentadores cerrados, si no se intercambia masa entre el ujo de agua alimentación que está siendo calentado y el ujo de vapor procedente de la turbina que condensa en el calentador, o abiertos, si se produce intercambio de masa.

El calentador abierto o desgasi cador tiene la función es eliminar el aire disuelto que se encuentra en el agua de alimentación, que entra al circuito en las secciones de baja presión. El condensador es donde se introduce mayor cantidad de aire al circuito, puesto que su presión es del orden de 20 veces menor que la atmosférica. Eliminar el aire disuelto es de vital importancia para el funcionamiento de la central, puesto que la presencia de gases en el agua puede dar lugar a corrosión y reduce la e ciencia de la caldera.

Figura 1.3: Ciclo Rankine con tren de calentadores [3]

El vapor que se utiliza para calentar el agua de alimentación en los FWH procede de extracciones de la turbina. Se extrae una pequeña porción del ujo másico de vapor que atraviesa la turbina (generalmente menos del 10 %), que después de pasar por el FWH y haberse condensado es enviado al FWH anterior, que se encuentra a una menor presión. Los calentadores de alta presión devuelven el condensado al desgasi cador, y los calentadores de baja presión devuelven al condensador, aunque existen otras con guraciones.