Vapor sobrecalentado y diagrama de fases del vapor

Vapor Súper Calentado

Cuando el vapor saturado generado en una caldera de vapor pasa por superficies de transferencia de calor, su temperatura comienza a aumentar por encima de la evaporación o saturación.
Se describe como vapor súper calentado si su temperatura es mayor que su temperatura de saturación. El grado de súper-calentamiento está directamente relacionado con la temperatura del vapor calentado por encima de la temperatura de saturación.

El súper-calentamiento solo se puede proporcionar al vapor saturado y no al vapor con presencia de contenido de humedad. Para lograr un súper-calentamiento, el vapor saturado tiene que pasar a través de otro intercambiador de calor. Este intercambiador de calor para el súper-calentamiento se llama intercambiador de calor secundario dentro de la caldera. Los gases de escape calientes que salen de la caldera se consideran la mejor manera de calentar el vapor saturado.

El vapor súper calentado se aplica en las centrales eléctricas de vapor para la generación de energía eléctrica. En las turbinas de vapor, el vapor súper calentado entra por un extremo y sale por el otro hacia el condensador (que puede ser de agua o aire refrigerado). La diferencia de energía del vapor súper calentado entre la entrada y la salida de la turbina hace girar el rotor de la turbina. Hay una reducción gradual de la energía del vapor mientras pasa a través del rotor de la turbina.

Por lo tanto, es esencial tener un súper-calentamiento suficiente en la entrada de la turbina para evitar la condensación del vapor húmedo en la parte posterior del rotor de la turbina.

Básicamente, el rotor de la turbina de vapor tiene varios estadios y el vapor debe pasar por cada uno antes de llegar al condensador. Por lo tanto, si no se proporciona suficiente súper-calentamiento en el vapor en la entrada de la turbina, entonces el vapor puede llegar a estar saturado al alcanzar los estadios posteriores del rotor y, posteriormente, volverse más húmedo al pasar por cada etapa sucesiva.

El vapor húmedo en el extremo final del rotor es muy peligroso, ya que puede provocar Golpe de Aire y una erosión severa en las últimas etapas de las palas de la turbina. Para superar este problema, es aconsejable diseñar los parámetros de entrada de vapor de la turbina de tal manera que permitan que el vapor súper calentado entre en la entrada de la turbina y que el diseño de la salida de la turbina coincida con los parámetros del vapor cercanos a las condiciones de saturación.

Una de las razones principales para usar el vapor súper calentado en la turbina de vapor es la mejora apreciable en la eficiencia térmica del ciclo.

La eficiencia de un motor térmico se puede encontrar utilizando:

Eficiencia del Ciclo de Carnot: Relación de la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida a la temperatura de entrada.

Eficiencia del Ciclo de Rankine: Relación de la energía térmica en la entrada y salida de la turbina a la energía térmica total tomada del vapor.
2. Ejemplo de cálculo de la Eficiencia del Ciclo de Carnot y la Eficiencia del Ciclo de Rankine.
Explicado por ejemplo:
Una turbina se alimenta con vapor súper calentado a 96 bar a 490oC. El escape es a 0.09 bar y con un 12 % de humedad.
La temperatura del vapor saturado es: 43.7oC
Determinar y comparar la Eficiencia del Ciclo de Carnot y el Ciclo de Rankine.
Procedimiento para determinar la eficiencia del ciclo de Carnot :

Procedimiento para determinar la eficiencia del ciclo de Rankine :
Donde,

Calor sensible en el condensado correspondiente a la presión de escape de 0.09 bar en KJ/Kg = 183.3
3.
Diagrama de Fase del Vapor es una representación gráfica de los datos proporcionados en la tabla de vapor. El Diagrama de Fase del Vapor proporciona la relación entre la entalpía, la temperatura y las diversas presiones. Entalpía líquida hf. Esto se representa por la línea A-B en el diagrama de fase. Cuando el agua comienza a recibir calor desde 0o C, entonces recibe toda su entalpía líquida a lo largo de la línea de agua saturada A-B en el diagrama de fase.

Entalpía del Vapor Saturado (hfg): Cualquier adición adicional de calor resulta en un cambio de fase al vapor saturado y se representa por (hfg) en el diagrama de fase, es decir, B-C.

Fracción de Seco (x): Cuando se aplica calor, el líquido comienza a cambiar de fase de líquido a vapor y, entonces, la fracción de secado de la mezcla comienza a aumentar, es decir, se mueve hacia la unidad. En el diagrama de fase, la fracción de secado de la mezcla es 0.5 exactamente en el medio de la línea BC. De manera similar, en el punto c del diagrama de fase, el valor de la fracción de secado es 1.

Línea C-D Punto c está en la línea de vapor saturado, cualquier adición adicional de calor resulta en el aumento de la temperatura del vapor, es decir, el inicio del súper-calentamiento del vapor representado por la línea C-D.
Zona Líquida → Región hacia el lado izquierdo de la línea de líquido saturado
Zona de Súper-Calentamiento → Región hacia el lado derecho de la línea de vapor saturado
Zona de Dos Fases → Área entre la línea de líquido saturado y la línea de vapor saturado es una mezcla de líquido y vapor. Mezcla con fracciones de secado variables.
Punto Crítico → Es el punto ápice donde se encuentran las líneas de líquido y vapor saturado. La entalpía de evaporación disminuye a cero en el punto crítico, lo que significa que el agua cambia directamente a vapor en el punto crítico y después.
La temperatura máxima que el líquido puede alcanzar o existir es equivalente al punto crítico.
Parámetros del Punto Crítico → Temperatura 374.15oC
Presión → 221.2 bar

Los valores por encima de estos son valores supercríticos y son útiles para aumentar la eficiencia del ciclo de Rankine.

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