Cicle de Rankine per a calefactors d'aigua de alimentació tancats i cogeneració de cicle de Rankine
Cicle de Rankine amb Calentadors d'Aigua de Alimentació Tancats
El cicle de Rankine amb calentadors d'aigua de alimentació tancats té els seus beneficis i es fa servir habitualment en totes les centrals modernes. El calentador d'aigua de alimentació tancat utilitza un mode indirecte de transmissió de calor, és a dir, el vapor extret o derivat de la turbina transmet la seva calor indirectament a l'aigua de alimentació en un intercanviador de calor de tipus cartrusa i tub. Com que el vapor i l'aigua no es mesclen directament, tant el circuit de vapor com el d'aigua estan a diferents pressions. El calentador d'aigua de alimentació tancat en un cicle es representa en un diagrama T-s com es mostra a continuació en la Figura 1.
Teòricament o idealment, la transmissió de calor en el calentador d'aigua de alimentació tancat hauria de ser de manera que la temperatura de l'aigua de alimentació s'augmenti fins a la temperatura de saturació del vapor extret (escalfant l'aigua de alimentació).
Però en la operació real de la central, la temperatura màxima que l'aigua de alimentació pot assolir és normalment lleugerament inferior a la temperatura de saturació del vapor. La raó pot ser que es necessiti un gradient de temperatura de diversos graus per a una transmissió de calor eficaç i eficient.
Aquest condensat o vapor condensat de la carcassa del calentador s'ha de transferir al següent calentador (baixa pressió) en el cicle o de vegades al condensador.
Diferències entre Calentadors d'Aigua de Alimentació Oberts i Tancats
Els calentadors d'aigua de alimentació oberts i tancats es poden diferenciar de la següent manera:
Calentador d'aigua de alimentació obert |
Calentador d'aigua de alimentació tancat |
Obert i simple |
Més complex en el disseny |
Bones característiques de transmissió de calor |
Menys efectiva en la transmissió de calor |
Mescla directa de vapor extret i aigua de alimentació en un recipient sota pressió |
Mescla indirecta d'aigua de alimentació i vapor en un intercanviador de calor de tipus cartrusa i tub. |
Es necessita una bomba per transferir l'aigua a la següent etapa en el cicle. |
Els calentadors d'aigua de alimentació tancats no necessiten bomba i poden funcionar amb la diferència de pressió entre els diversos calentadors en el cicle. |
Requereix més espai |
Requereix menys espai |
Menys costós |
Més costós |
Totes les centrals modernes fan servir una combinació de calentadors d'aigua de alimentació oberts i tancats per maximitzar l'eficiència tèrmica del cicle.
Fenomen de Cogeneració
La termodinàmica enginyerística es centra en convertir la forma valuosa d'energia (calor) en treball. En les centrals, això es fa transferint-la al fluid de treball anomenat aigua. Així, l'objectiu és evitar el desgast de la calor del vapor en els condensadors de les turbinas de vapor. Això és possible si trobem mitjans per utilitzar el vapor de baixa pressió que va cap al condensador.
La cogeneració és el concepte d'utilitzar la calor del vapor per a un propòsit útil, en lloc de desperdiciar-la (actualment es desperdiga en els condensadors).
La cogeneració significa Producció Combinada de Calor i Energia (PCC), és a dir, la generació simultània de calor i energia per a les indústries que requereixen vapor de processos. En una central de cogeneració, tant la calor com l'energia es fan servir de manera judiciosa, de manera que l'eficiència pot ser tan alta com el 90% o més. La cogeneració ofereix estalvis d'energia.
La cogeneració ofereix la reducció del gran volum de vapor desperdiciat i el mateix es pot utilitzar en molts dispositius en forma de calor. La major part de les indústries com paper i pasta, química, textil i fibra i cement són dependents de les centrals de cogeneració per a vapor de processos. Els requisits de vapor de processos en les indústries anteriors són de l'ordre de 4 a 5 kg/cm2 a una temperatura al voltant de 150 a 180oC.
Les indústries de paper, química i textil necessiten tant electricitat com vapor de processos per aconseguir els seus objectius. Així, aquest requisit es pot aconseguir fàcilment instal·lant una central de cogeneració.
La temperatura a l'interior de la caldera és de l'ordre de 800oC a 900oC i l'energia es transmet a l'aigua per produir vapor de 105 bar i temperatura al voltant de 535oC per a les centrals de cogeneració. El vapor amb aquests paràmetres es considera com una font d'energia de molt bona qualitat i, per tant, es fa servir primer en la turbina de vapor per produir energia, i l'exhaust de la turbina (energia de baixa qualitat) s'utilitza per complir els requisits de vapor de processos.
La central de cogeneració és coneguda per complir els requisits d'energia mentre compleix els requisits de vapor de processos de les indústries.
La cogeneració ideal amb turbina de vapor es mostra en la figura 2 anterior. Suposem que el requisit de calor de processos Qp és de 5.0 Kg/cm2 al voltant de 100 KW. Per complir el requisit de vapor de processos a 5.0 Kg/cm2, el vapor es dilata en la turbina fins que la pressió del vapor baixa a 5.0 Kg/cm2 i així produeix energia al voltant de 20 KW.
El condensat del calentador de processos es recicla tornant a la caldera per a l'operació cíclica. El treball de la bomba necessari per augmentar la pressió de l'aigua de alimentació en el cicle es considera petit, per tant, no es considera.
Tota l'energia transferida al fluid de treball a la caldera es fa servir o bé en la turbina de vapor o bé en la planta de processos, així, el factor d'utilització de la central de cogeneració és:
