El ciclo de Rankine con calentadores de agua de alimentación cerrados tiene sus beneficios y se utiliza comúnmente en todas las plantas de energía modernas. El calentador de agua de alimentación cerrado emplea un modo indirecto de transferencia de calor, es decir, el vapor extraído o desviado del turbogenerador transfiere su calor indirectamente al agua de alimentación en un intercambiador de calor de tubos y carcasa. Dado que el vapor y el agua no se mezclan directamente, tanto el circuito de vapor como el de agua están a diferentes presiones. Un calentador de agua de alimentación cerrado en un ciclo se representa en un diagrama T-s como se muestra a continuación en la Figura 1.
Teóricamente o idealmente, la transferencia de calor en un calentador de agua de alimentación cerrado debería ser tal que la temperatura del agua de alimentación se incremente hasta alcanzar la temperatura de saturación del vapor de extracción (calentando el agua de alimentación).
Pero en la operación real de la planta, la temperatura máxima que puede alcanzar el agua de alimentación es normalmente ligeramente menor que la temperatura de saturación del vapor. La razón puede ser que se requiere un gradiente de temperatura de algunos grados para una transferencia de calor efectiva y eficiente.
Este condensado o vapor condensado desde la carcasa del calentador debe ser transferido al siguiente calentador (de baja presión) en el ciclo o, a veces, al condensador.
Los calentadores de agua de alimentación abiertos y cerrados pueden diferenciarse de la siguiente manera:
Calentador de agua de alimentación abierto |
Calentador de agua de alimentación cerrado |
Abierto y simple |
Más complejo en diseño |
Buenas características de transferencia de calor |
Transferencia de calor menos efectiva |
Mezcla directa de vapor de extracción y agua de alimentación en un recipiente a presión |
Mezcla indirecta de agua de alimentación y vapor en un intercambiador de calor de carcasa y tubos. |
Se requiere una bomba para transferir el agua al siguiente estado en el ciclo. |
Los calentadores de agua de alimentación cerrados no requieren bomba y pueden operar con la diferencia de presión entre los diversos calentadores en el ciclo. |
Requiere más espacio |
Requiere menos espacio |
Menos costoso |
Más costoso |
Todas las plantas de energía modernas emplean una combinación de calentadores de agua de alimentación abiertos y cerrados para maximizar la eficiencia térmica del ciclo.
La termodinámica de ingeniería se centra en convertir la forma valiosa de energía (calor) en trabajo. En las plantas de energía, esto se hace transfiriendo el calor al fluido de trabajo llamado agua. Por lo tanto, el objetivo es evitar el desperdicio de calor del vapor en los condensadores de turbinas de vapor. Esto es posible si se encuentra la manera de utilizar el vapor de baja presión que va al condensador.
La cogeneración es el concepto de utilizar el calor del vapor para un propósito útil, en lugar de desperdiciarlo (actualmente desperdiciado en los condensadores).
La cogeneración significa Producción Combinada de Calor y Energía (CHP), es decir, la generación simultánea de calor y energía para la industria que requiere vapor de proceso. En la planta de cogeneración, tanto el calor como la energía son utilizados de manera juiciosa, por lo que la eficiencia de la misma puede ser tan alta como el 90% o más. La cogeneración ofrece ahorro de energía.
La cogeneración ofrece la reducción en el desperdicio de gran cantidad de vapor, y el mismo puede ser utilizado en muchos dispositivos en forma de calor. La mayoría de las industrias, como papel y pulpa, química, textil y fibra, y cemento, dependen de la planta de cogeneración para el vapor de proceso. El requerimiento de vapor de proceso en las industrias mencionadas está en el orden de 4 a 5 kg/cm2 a una temperatura alrededor de 150 a 180oC.
Las industrias de papel, química y textil requieren tanto electricidad como vapor de proceso para lograr sus objetivos. Este requisito puede satisfacerse fácilmente mediante la instalación de una planta de cogeneración de energía.
La temperatura dentro de la caldera es del orden de 800oC a 900oC y la energía se transfiere al agua para producir vapor a una presión de 105 bar y una temperatura alrededor de 535oC para las plantas de cogeneración. El vapor con estos parámetros se considera como una fuente de energía de muy buena calidad y, por lo tanto, se utiliza primero en la turbina de vapor para producir energía, y el escape de la turbina (energía de baja calidad) se utiliza para satisfacer el requerimiento de vapor de proceso.
La planta de cogeneración es conocida por satisfacer el requerimiento de energía mientras satisface el requerimiento de vapor de proceso de los procesos industriales.
La cogeneración ideal con turbina de vapor se muestra en la figura 2 arriba. Supongamos que el requerimiento de calor de proceso Qp es de 5.0 Kg/cm2 alrededor de 100 kW. Para satisfacer el requerimiento de vapor de proceso a 5.0 Kg/cm2, el vapor se expande en la turbina hasta que la presión del vapor disminuye a 5.0 Kg/cm2 y, así, produce alrededor de 20 kW de potencia.
El condensado del calentador de proceso se recicla de vuelta a la caldera para la operación cíclica. El trabajo de la bomba requerido para elevar la presión del agua de alimentación en el ciclo se considera pequeño, por lo que no se toma en cuenta.
Toda la energía transferida al fluido de trabajo en la caldera se utiliza ya sea en la turbina de vapor o en la planta de proceso, por lo que el factor de utilización de la planta de cogeneración es:
Donde,
Qout Calor rechazado en el.
Así, en ausencia del condensador, el factor de utilización de calor de la planta de cogeneración es del 100%.
Declaración:
