MÁQUINAS HIDRÁULICAS Y TÉRMICAS mÁquinas hidrÁulicas (fluidos incomp.) maquina de fluido ... maquinas de vapor rotativos alternativos motor de aire caliente reacciÓn no desarrollados

MÁQUINAS HIDRÁULICAS Y TÉRMICAS

TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS

Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 1 Universidad de Valladolid

1. LA MÁQUINA TÉRMICA

MÁQUINA DE FLUIDO: Es el conjunto de elementos mecánicos que permite

intercambiar energía mecánica con el exterior, generalmente a través de un

eje, por variación de la energía disponible en el fluido que atraviesa la máquina.

MÁQUINA MOTORA: disminuye la energía del fluido

MÁQUINA GENERADORA: aumenta la energía del fluido




MÁQUINAS HIDRÁULICAS (fluidos incomp.)

MAQUINA DE FLUIDO

MÁQUINAS TERMICAS (fluidos compresibl.)

MOTOR TÉRMICO: es el conjunto de elementos mecánicos que permite

obtener energía mecánica a partir del estado térmico del fluido compresible que

lo atraviesa, obtenido por un proceso de combustión tradicional o una reacción

nuclear.

1. Sistema transformador de energía térmica en mecánica.

2. Estado térmico del fluido

3. Motores a reacción

CONCEPTO MÁS AMPLIO QUE EL DE MÁQUINA TÉRMICA

Máquina térmica ≠ Motor térmico

EXTERNA (A)

MOTORES TURBINAS: TG

DE ROTATIVOS VOLUMÉTRICOS: WANKEL

COMBUSTIÓN

INTERNA (B) ALTERNATIVOS -- MEP Y MEC

COHETES - QUÍMICOS

REACCIÓN AERORREACTORES

VOLUMÉTRICOS: ALTERNATIVOS Y ROTATIVOS

MOTORES

TURBOMÁQUINAS




MOTORES TÉRMICOS

MOTORES DE COMBUSTIÓN

INTERNA

ROTATIVOS ALTERNATIVOS

TURBOMÁQUI-NAS TURBINAS

DE GA

VOLUMÉTRICOS MOTORES ROTATIVOS

MEP GASOLINA, GLP

MEC DIESEL

REACCIÓN

COHETES AERORREACTORES

Propulsante líquido

Propulsante sólido

Sin compresor: - Estatorreactor - Pulsorreactor

Con compresor -Turborreactor -Turbofán -Turbohélice

MOTORES DE COMBUSTIÓN

EXTERNA

FLUIDO CONDENSABLE

FLUIDO NO CONDENSABLE

ROTATIVOS

ALTERNATIVOS MAQUINAS DE

VAPOR

ROTATIVOS

ALTERNATIVOS MOTOR DE AIRE

CALIENTE

REACCIÓN NO

DESARROLLADOS

REACCIÓN NO

DESARROLLADO

TURBOMÁQUINAS – TURBINAS DE

VAPOR

VOLUMÉTRICOS NO

DESARROLLADOS

TURBOMÁQUINAS TURBINAS DE GAS CICLO CERRADO

VOLUMETRICOS NO

DESARROLALDOS




MOTOR WANKEL




2. DIAGRAMAS TERMODINAMICOS DEL VAPOR

DIAGRAMA P-v DE UNA SUSTANCIA PURA

DIAGRAMA T-s

T

S TdSQ

P=cte

T=cte a b

El calor cedido en cualquier proceso desde un punto “a” a otro punto “b” es el área bajo la curva.

Debajo de la campana de saturación las isotermas coinciden con las isobaras existe una temperatura de condensación-evaporación para cada presión (ej: 100ºC corresponde con 1 atmosfera).




DIAGRAMA h-s

h

S

P=cte

T=cte

Zona de gas ideal

dT Tc h p T=cte || h=cte Para altas temperaturas cuando el

vapor está sobrecalentado se comporta como un gas ideal. En esta zona el diagrama h-S es muy similar al T-S.

El incremento de entalpía cuando se comprime un líquido es mucho menor que cuando se comprime en la fase gas.

PRIMER PRINCIPIO DE LA TD PARA SISTEMAS ABIERTOS

ee hm

ss hm

Q

W

Sistema abierto

ee

ss gz

cgz

c

dt

dU

2hm

2hmWQ

2

ee

2

ss

Sistema adiabático y estacionario (turbina) eess hmhmW

Sistema sin transferencia de trabajo y estacionario (caldera) eess hmhmQ

Sistema adiabatico, estacionario y sin transferencia de trabajo varias

entradas y salidas (intercambiador de calor)

eess hmhm0




3. CICLOS EN TURBINAS DE VAPOR – CICLO RANKINE

- Grandes potencias (1800 MW) o Baja potencia específica o Mala adaptación a cargas parciales o Tiempos de arranque largos

- Desarrolladas a partir final siglo XIX o De Laval (1883) acción o Rarsons (1884) reacción o Normalmente axiales

- Rendimientos limitados por la resistencia de los materiales o 1930 – 25 bar y 350ºC o Actualidad – 250 bar y 540ºC

Diseños especiales para centrales nucleares

CALDERA

COMBUSTIBLE

1

2

TURBINA

GENERADORELÉCTRICO

3

4

BOMBA

ENERGÍA TERMICA

CONDENSADOR

HUMOS

T3

41

2

S

mf

Qu

Wb

Wt

h

S

P=cte




Un ciclo Rankine ideal consta cuatro etapas fundamentales: 1->2 Compresión del líquido en bomba 2->3 Calentamiento del líquido, evaporación del mismo y sobrecalentamiento del vapor en caldera. 3->4 Expansión del vapor en la turbina en un proceso idealmente adiabático e isoentrópico. 4->1 Condensación del vapor en intercambiador.

Diagrama entrópico (TS) del vapor de agua




Diagrama de Mollier del vapor de agua




Ciclo de Carnot de un gas condensable

Ciclo Rankine de un gas condensable

Ciclo de Hirn (vapor recalentado)




RENDIMIENTO DE PROCESOS CÍCLICOS

Conservación de la energía:

caac qqWWWU 0

a

c

a

ca

at q

q

q

qq

q

N

1

)()(

ABAB

B

aA

a ssTTdsq

)()(

ABBA

a

CB

c ssTTdsq

AB

BAt T

T 1

CARNOT: ),(1 212

112 TTf

T

TTTTT tBAAB

RANKINE: ),(1 211

1 ppfT

TTTTT

ABtBAAB

HIRN: ),,(1 3211

13 TppfT

TTTTT

ABtBAAB (Rankine con recalentamiento)

S

T

A

B a

c

qa

qc

qa calor absorbido qc calor cedido




4312431423 )()()( hhhhhhhhhhqqW ca

Rendimiento térmico o motor (≈0.40) cald

cond

cald

cond

cald

ciclot

T

T

Q

Q

q

W

11

Rendimiento de la turbina: Scs

TV hh

hh

W

W

43

43

(con imperfecciones de diseño, fricción, etc.)

WmN v

h [kJ/kg] s [kJ/kgK]




CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO

CALDERA

COMBUSTIBLE

1

2

TURBINA

3

4

BOMBA

CONDENSADOR

3´

T 3

41

2

S

3’

VENTAJAS: Aumenta el rendimiento (↑Tcald) Aumenta el trabajo específico ( )()( '6'5'45 hhhhw

Disminuye la humedad INCONVENIENTES: Mayor costo y complejidad.







Modificación del ciclo Rankine con la modificación de los parámetros iniciales:




INFLUENCIA DE LA PRESION A LA ENTRADA DE LA TURBINA Ventajas: Aumento del rendimiento (↑Tcald) (Si p>225 bar supercrítico) Inconvenientes: Aumento de la humedad (<12%), diminuye título vapor El trabajo específico aumenta y luego disminuye (el punto de inflexión depende de Tmax) Variación de la eficiencia del ciclo con la presión:







INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA A LA ENTRADA DE LA TURBINA

T3

41

2

S

h

S

P=cte

VENTAJAS: aumenta (↑Tcald) W mejora, mayor salto entálpico (aumenta trabajo específico) Disminuye la humedad a la salida de la turbina, aumenta título vapor Limitaciones por la Tmax soportable por la caldera y la turbina. INCONVENIENTES: Aumenta el coste. Variación de la eficiencia del ciclo en función de la temperatura de vapor:







INFLUENCIA DE LA PRESION EN EL CONDENSADOR.

T 3

4 1

2

S

h

S

VENTAJAS: Mejor rendimiento (↓Tcond) W mejora, mayor salto entálpico (↓h4) INCONVENIENTES: Mayor humedad en escape de la turbina. Limitado por la temperatura del refrigerante. Condensar a 50ºC supone 0.12 bar Tamaño del condensador muy

grande.







CICLO REGENERATIVO Si en un ciclo Ranking extraemos calor de la expansión para precalentar el agua de alimentación de la caldera, tenemos un CICLO REGENERATIVO.

CALDERA

COMBUSTIBLE

1

2

TURBINA

3

4

BOMBA CONDENSADOR

BOMBA

MEZCLADOR

EXTRACCIÓN

2’

3’

T 3

41

2

S

3’2’

Se tiende a hacer varias extracciones de vapor en la turbina. Se reduce el flujo de vapor en los últimos escalonamientos de la turbina con

lo que se reduce el tamaño o la velocidad axial (menos perdidas de escape). Hay más gasto en las etapas (escalonamientos) de alta presión donde hay

mejor rendimiento.




VENTAJAS: Aumenta el rendimiento (porque ↓Qcond) Disminuye la cantidad de vapor a baja presión El agua de alimentación entra en la caldera a temperatura elevada Esquema simplificado de una instalación típica de una central térmica con precalentamiento del agua de alimentación con vapor extraído de la turbina:

Carnott T

T

T

T 1

2

34

1'6 11




Ciclo regenerativo con precalentadores de mezcla:

Si por cada kg de vapor admitido en la turbina extraemos y1, y2 e y3 kg en cada una de las extracciones, las ecuaciones en los precalentadores serán: Para el tercer precalentador:

))(1()( 2'1321'1'3 hhyyyhhy c Para el segundo precalentador:

))(1()( '2''121''1'2 hhyyhhy b Para el primer precalentador:

))(1()( ''2'''11'''1'1 hhyhhy a INFLUENCIA DE LAS EXTRACCIONES:






















Documents

MÁQUINAS HIDRÁULICAS Y TÉRMICAS mÁquinas hidrÁulicas (fluidos incomp.) maquina de fluido ... maquinas de vapor rotativos alternativos motor de aire caliente reacciÓn no desarrollados