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Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
3. Ciclos de vapor y gas
1. INTRODUCCIÓN
2. CICLO DE RANKINE
3. CICLO DE BRAYTON
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
1. Introducción
Motor Rotativo:
• Generan movimiento de giro de un eje
• Aplicación: industria aeroespacial, plantas de generación de potencia
Turbinas de Vapor Turbinas de gas
• Combustión externa
• Agente Transf.: agua
• Combustión interna
• A.T.: gases de combustión
Ciclo Rankine Ciclo Brayton
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
2. Ciclo de Rankine
Esquema de una central térmica de vapor
Generadoreléctrico
Turbina
Caldera
AireCombustible
Vapor deagua
Agualíquida
Chimenea
Agua de refrigeración
Torrede
refrigeración
A D
C
B
ZONA B: Foco caliente.
Generación de calor.
ZONA A: Ciclo termodinámico del
agente de transformación (AT).
Transformación de la entalpía del
vapor en energía cinética en del
eje de la turbina (W).
ZONA C: Foco frío. Condensación
del vapor saliente de la turbina.
ZONA D: Obtención de energía
eléctrica. Transformación del
trabajo mecánico producido en la
turbina en energía eléctrica
mediante un generador.
CICLO RANKINE
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
2. Ciclo de Rankine
CICLO RANKINE IDEAL
QC
(-QR)
(-WB)
WT
Suposiciones:
• Todos los procesos son reversibles
• Sin pérdidas de presión en la circulación del AT
• Caldera y condensador a P = cte
• Turbina y bomba adiabáticos (+ reversible)
isoentrópicos
1
23
4a
QR
QC
WTWB
P
v
P1
P2
T1
T2
1
23
4
QR
QC
WT
WB
T
s
a
P1
P2
T1
T2
1
23
4a
QR
QC
WTWB
P
v
P1
P2
T1
T2
1
23
4
QR
QC
WT
WB
T
s
a
P1
P2
T1
T2
Diagrama de bloques ciclo Rankine
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
2. Ciclo de Rankine
Rendimiento Térmico de Ciclo:
1
23
4a
QR
QC
WTWB
P
v
P1
P2
T1
T2
1
23
4
QR
QC
WT
WB
T
s
a
P1
P2
T1
T2
• Etapa 1→2: expansión del vapor en la turbina
Entrada a la turbina: vapor saturado seco
Salida de la turbina: vapor húmedo
Proceso: expansión isoentrópica con generación de trabajo WT
Principio de conservación de energía:
(J/kg) 2
0 21
2
2
2
121
zzg
VVhhWQ
21 hhWT [6.3]
CICLO RANKINE IDEAL
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
2. Ciclo de Rankine
Rendimiento Térmico de Ciclo:
1
23
4a
QR
QC
WTWB
P
v
P1
P2
T1
T2
1
23
4
QR
QC
WT
WB
T
s
a
P1
P2
T1
T2
• Etapa 2→3: condensador del vapor húmedo en el
condensador
Entrada al condensador: vapor húmedo
Salida del condensador: líquido saturado
Proceso: extracción de calor QR a presión constante
Principio de conservación de energía:
(J/kg) 2
0 32
2
3
2
232
zzg
VVhhWQ
32 hhQR [6.4]
CICLO RANKINE IDEAL
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
2. Ciclo de Rankine
1
23
4a
QR
QC
WTWB
P
v
P1
P2
T1
T2
1
23
4
QR
QC
WT
WB
T
s
a
P1
P2
T1
T2
• Etapa 3→4: compresión del condensado en la bomba
Entrada a la bomba: líquido saturado
Salida de la bomba: líquido subenfriado a la presión de la caldera
Proceso: compresión isoentrópica con generación de trabajo por la
bomba WB
Principio de conservación de energía:
34 hhWB [6.5]
343
4
3
ppvvdpWB
Considerando la compresión del líquido:
[6.6]
CICLO RANKINE IDEAL
Rendimiento Térmico de Ciclo:
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
2. Ciclo de Rankine
Rendimiento Térmico de Ciclo:
1
23
4a
QR
QC
WTWB
P
v
P1
P2
T1
T2
1
23
4
QR
QC
WT
WB
T
s
a
P1
P2
T1
T2
• Etapa 4→1: calentamiento en la caldera
Entrada a la caldera: líquido subenfriado
Salida del condensador: vapor saturado seco
Proceso: aporte de calor QC a presión constante
Principio de conservación de energía:
41 hhQC [6.7]
CICLO RANKINE IDEAL
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
2. Ciclo de Rankine
Rendimiento Térmico de Ciclo:
1
23
4a
QR
QC
WTWB
P
v
P1
P2
T1
T2
1
23
4
QR
QC
WT
WB
T
s
a
P1
P2
T1
T2
)(
)()(
41
3421
hh
hhhh
Q
WW
C
BTRANKINE
[6.8]
Trabajo neto realizado en un ciclo
0 WQE RCBT QQWW
41
3211)(
hh
hh
Q
Q
Q
C
R
C
RCRANKINE
[6.9]
Relación de trabajos
21
34
hh
hh
W
WRT
T
B
[6.11]
CCC
RRANKINE
T
T
ssT
ssT
Q
Q 2
41
322 1)(
)(11
Aplicando 2º Principio de la Termodinámica
[6.10]
CICLO RANKINE IDEAL
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
2. Ciclo de Rankine
Irreversibilidades y Pérdidas:
Desviaciones del ciclo de Rankine ideal:
a) Pérdidas de energía en el condensador y la caldera por cesión de calor al exterior
b) Pérdidas de energía por rozamiento del fluido en el condensador, caldera y tuberías
c) Irreversibilidades en la turbina y en la bomba
o Procesos no adiabáticos
o Pérdidas de energía por rozamiento
1
2'3
4
T
s
a
2
4'
21
'21
)( hh
hh
W
W
ST
TTV
3'4
34
B
SBB
hh
hh
W
)W(
[6.12]
[6.13]
CICLO RANKINE con NO IDEALIDADES
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
2. Ciclo de Rankine
Modificaciones para aumentar la eficiencia térmica del ciclo:
C
RANKINET
T21 [6.10]
C
BTRANKINE
Q
WW [6.8]
A. Aumento de P CALDERA
1'
2'3
4'
T
s
a'
4
a1
2 2'
3
4'
T
s
4
a 1
2
3’
B. Disminución de PCONDENSADOR
1'
2'3
4'
T
s
a'
4
a1
2 2'
3
4'
T
s
4
a 1
2
3’
Problema:
X 2’ < X2→ problemas de funcionamiento de la turbina
Requisito práctico:
X 2 > 90 %
MODIFICIACIONES DEL CICLO RANKINE
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
2. Ciclo de Rankine
MODIFICIACIONES DEL CICLO RANKINE
Modificaciones para aumentar la potencia y/o eficiencia térmica del ciclo:
C
RANKINET
T21 [6.10]
Requisito práctico:
X 2 > 90 %
Aumento de η limitado mediante
los procedimientos A y B.
C. Sobrecalentamiento (o recalentamiento)
D. Recalentamiento intermedio
E. Regeneración
C
BTRANKINE
Q
WW [6.8]
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
2. Ciclo de Rankine
MODIFICIACIONES DEL CICLO RANKINE
C. Sobrecalentamiento (o recalentamiento)
Obtención de vapor recalentado en la caldera a temperatura superior a la de saturación.
2'3
T
s
4
a
1'
2
1
x < 0,90 < x2 2’
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
2. Ciclo de Rankine
MODIFICIACIONES DEL CICLO RANKINE
Vapor sobrecalentado se expande parcialmente en una primera etapa de la turbina, se
recalienta y se vuelve a expandir en una segunda etapa de la turbina.
2'
3
T
s
4
a
3'
2
1
x < 0,90 < x2 4’
4'
Turbina 1
QC1
WT1
Turbina 2WT2
Condensador
QR
Caldera
QC2
BombaWB
1
2’
3’ 2 4
3
5
4
6 5
6
Ventajas
• Aumento del título del vapor a la salida de la turbina
• Mayor diferencia de presiones entre la caldera y el condensador
Limitaciones
• Resistencia térmica y mecánica de los materiales de construcción
2C1C
B2T1T
WWW
[6.20]
D. Recalentamiento intermedio
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
2. Ciclo de Rankine
MODIFICIACIONES DEL CICLO RANKINE
E. Regeneración
Aumento de la temperatura de trabajo de la caldera mediante precalentamiento del agua
líquida que se introduce en la misma con parte del vapor de la turbina.
E.1 Cambiadores abiertos
T
s
a
1 1
34
5
6
7
7'
1
2
34
5
6
7
a
7’
T
s
WB2
QC
QR
WT2
1
3
5
6
WB14
2
7
y 1-y
WT1
Contacto directo de las corrientes fría y caliente
T
s
a
1 1
34
5
6
7
7'
1
2
34
5
6
7
a
7’
T
s
WB2
QC
QR
WT2
1
3
5
6
WB14
2
7
y 1-y
WT1
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
2. Ciclo de Rankine
MODIFICIACIONES DEL CICLO RANKINE
T
s
a
1 1
34
5
6
7
7'
1
2
34
5
6
7
a
7’
T
s
WB2
QC
QR
WT2
1
3
5
6
WB14
2
7
y 1-y
WT1
526 h)y1(mhymhm
211T hhW
)y1()hh(W 322T
)y1()hh(W 451B
)hh(W 672B
Balance de energía en calentador
Trabajos del ciclo
71C hhQ
)y1()hh(Q 43R
Intercambios de calor
C
BBTT
Q
WWWW 2121 [6.21]
E. Regeneración
Aumento de la temperatura de trabajo de la caldera mediante precalentamiento del agua
líquida que se introduce en la misma con parte del vapor de la turbina.
E.1 Cambiadores abiertos
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
2. Ciclo de Rankine
MODIFICIACIONES DEL CICLO RANKINE
E. Regeneración
E.2 Cambiadores cerrados
Sin contacto directo de las corrientes fría y caliente (cambiador de carcasa y tubos)
OPCIÓN 1. Bombeo a caldera
1
2
3 4
5
6
7 8
9
T
s
QC
WT2
(-WB3)
(-WB2)
WT1
y
(1-y)
1
2
3
4 5
6
7
8
9
(-WB1)
(-QR)
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
2. Ciclo de Rankine
MODIFICIACIONES DEL CICLO RANKINE
E. Regeneración
E.2 Cambiadores cerrados
Sin contacto directo de las corrientes fría y caliente (cambiador de carcasa y tubos)
OPCIÓN 1. Bombeo a caldera
C
BBBTT
Q
WWWWW 32121
211T hhW )y1()hh(W 322T
)y1()hh(W 451B
)1()( 672 yhhWB
)()( 893 yhhWB
yhyhhQC 971 1)(
QC
WT2
(-WB3)
(-WB2)
WT1
y
(1-y)
1
2
3
4 5
6
7
8
9
(-WB1)
(-QR)
[6.22]
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
2. Ciclo de Rankine
MODIFICIACIONES DEL CICLO RANKINE
E. Regeneración
E.2 Cambiadores cerrados
Sin contacto directo de las corrientes fría y caliente (cambiador de carcasa y tubos)
OPCIÓN 2. Envío a condensador
1
2
3 4
5
6
7 8’
9’
T
QC
WT2
(-WB2)
WT1
y
(1-y)
1
2
3
4 5
6
7
8’
(-QR)
9’
(-WB1)
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
2. Ciclo de Rankine
MODIFICIACIONES DEL CICLO RANKINE
OPCIÓN 2. Envío a condensador
C
BBTT
Q
WWWW 2121
211T hhW
)y1()hh(W 322T
)( 451 hhWB
)( 672 hhWB
71 hhQC
[6.23]
QC
WT2
(-WB2)
WT1
y
(1-y)
1
2
3
4 5
6
7
8’
(-QR)
9’
(-WB1)
E. Regeneración
E.2 Cambiadores cerrados
Sin contacto directo de las corrientes fría y caliente (cambiador de carcasa y tubos)
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
E. Regeneración
E.2 Cambiadores cerrados
Sin contacto directo de las corrientes fría y caliente (cambiador de carcasa y tubos)
Balance de energía en calentador
82
566852
hh
hhyhmhymhmhym
[6.24]
2. Ciclo de Rankine
MODIFICIACIONES DEL CICLO RANKINE
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
Combinación de modificaciones
2. Ciclo de Rankine
MODIFICIACIONES DEL CICLO RANKINE
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
Ejercicio Nº 1
El fluido de trabajo de un ciclo Rankine Ideal es vapor de agua. A la turbina entra vapor saturado a 8,0 MPa y del condensador sale líquido saturado a la presión de 0,008 MPa. La potencia neta obtenida es de 100 MW. Determínese para el ciclo:
a) Rendimiento térmico b) Relación de trabajos c) Flujo másico de vapor en kg/h d) Calor absorbido en el paso por caldera e) El calor cedido en el condensador
Utilícese tablas de vapor de agua
1
23
4a
QR
QC
WTWB
P
v
P1
P2
T1
T2
1
23
4
QR
QC
WT
WB
T
s
a
P1
P2
T1
T2
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
Turbinas de vapor (550 ºC)
Turbinas de gas (1000-1400 ºC)
Rendimiento máximo Rendimiento real
65 % 40-45%
83 % 62 %
cámara de
combustión
Aire Productos
combustión
Combustible
Compresor Turbina
WC WT
QC
WN
Intercambiador
de calor
WC WT
QC
QR
Intercambiador
de calor
WN
Ciclo abierto Ciclo cerrado
3. Ciclo de Brayton
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
3. Ciclo de Brayton
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
3. Ciclo de Brayton
Ciclo abierto
Inconveniente: el agente de transformación cambia de composición
Análisis de aire estándar
El aire se comporta como gas ideal y sin cambio de composición
El calor de la combustión procede de una fuente externa caliente
El aire retorna al estado inicial por cesión de calor al ambiente
CICLO DE BRAYTON IDEAL
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
3. Ciclo de Brayton
Intercambiador
de calor
WC WT
QC
QR
Intercambiador
de calor
WN
1
2 3
4
Suposiciones:
• Todos los procesos son reversibles
• Sin pérdidas de presión en la circulación del AT
• Cambiadores a P = cte
• Turbina y compresor adiabáticos isoentrópicos
1
2 3
4
s = s1 2
s = s3 4
p = p1 4
p = p2 3
QC
WT
WC
QR
p
v
1
2
3
4s = s1 2
s = s3 4
p = p1 4
p = p2 3
QC WT
WC
QR
T
s
1
2 3
4
s = s1 2
s = s3 4
p = p1 4
p = p2 3
QC
WT
WC
QR
p
v
1
2
3
4s = s1 2
s = s3 4
p = p1 4
p = p2 3
QC WT
WC
QR
T
s
CICLO DE BRAYTON IDEAL
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
3. Ciclo de Brayton
CICLO DE BRAYTON IDEAL
Rendimiento Térmico de Ciclo:
)(
)()()(
23
1243
hh
hhhh
Q
WW
C
CTBRAYTON
Relación de trabajos
(RT)
Turbinas de vapor
Turbinas de gas 40-80 %
1-3 %
43
12
hh
hh
W
WRT
T
C
[6. 15]
Relación de Trabajos:
[6. 14]
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
3. Ciclo de Brayton
CICLO DE BRAYTON IDEAL
Análisis de Aire Estándar Frío:
[6.16]
Se supone CP y CV= cte = cte
3
4
2
1 11T
T
T
T
1
1
22
1
p
p
11
T
T1
1
1
212
p
pTT
Compresión adiabática y reversible:
[6.17]
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
3. Ciclo de Brayton
Irreversibilidades y Pérdidas:
Análogo a lo descrito para ciclos de Turbinas de Vapor
Irreversibilidades en turbina
y compresor
Irreversibilidades en turbina y
compresor + pérdidas de presión
en cambiadores de calor
1
2
3
4
T
s
p= cte
p= ctes=ct
e
2'
4'
1
2
3
4
T
s
s=ct
e
2'4'
3'
s=ct
ep= cte
p= cte
43
43
hh
hh
W
W
sT
TTG
12
12
C
sC
Chh
hh
)W(
W
[6.18]
[6.19]
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
3. Ciclo de Brayton
MODIFICIACIONES DEL CICLO BRAYTON
A. Regeneración
Objetivo: disminuir QC Requisito: T4 > T2
xc hhQ 324
2
hh
hhxreg
REG ~ 75%
T
s
1
2
x
y
3
4
QC (-QR)
(-WC) WT
1 2
x
3
4
y
[6.25]
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
3. Ciclo de Brayton
MODIFICIACIONES DEL CICLO BRAYTON
Objetivo: Aumentar WT
1C1C
C1T1T
WWW
• no necesariamente aumenta
• Mayor potencial de regeneración
QC1
(-WC) WT2
1
2 a 3
4
b
QC2
WT2
T
s
1
2
a
b
3
4
[6.26]
B. Doble aporte de calor (combustión en doble etapa)
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial
3. Ciclo de Brayton
MODIFICIACIONES DEL CICLO BRAYTON
C. Compresión con refrigeración
-QR1
(-QR2)
(-WC1)
WT
1
c 2 d
4
3
QC
(-WC2)
Objetivo: Disminir WC (aunque aumenta QC) T
1
2
3
4
d c
W m vdpC z12 1
cd
2'2
W m vdpC 1
2
p
v
1
c
d
22'
s
T
• no necesariamente aumenta
• Mayor potencial de regeneración
C
CCT
TQ
WWW )()( 21 [6.27]
Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial