Termodinámica y Mecánica de Fluidos T5.- CICLOS DE ... WEB/Trasp Termo y MF... · T5.- CICLOS DE POTENCIA 1 Termodinámica y Mecánica de Fluidos Grados en Ingeniería Marina y

T5.- CICLOS DE POTENCIA

1

Termodinámica y Mecánica de FluidosGrados en Ingeniería Marina y Marítima

Departamento:

Area:

Ingeniería Eléctrica y Energética

Máquinas y Motores Térmicos

CARLOS J RENEDO [email protected]

Despachos: ETSN 236 / ETSIIT S-3 28

http://personales.unican.es/renedoc/index.htm

Tlfn: ETSN 942 20 13 44 / ETSIIT 942 20 13 82

TD. T5.- Ciclos de Potencia

Las trasparencias son el material de apoyo del profesorpara impartir la clase. No son apuntes de la asignatura.Al alumno le pueden servir como guía para recopilarinformación (libros, …) y elaborar sus propios apuntes


2

Termodinámica y Mecánica de FluidosGrados en Ingeniería Marina y Marítima

TD. T5.- Ciclos de Potencia

Objetivos:

Este tema es el más extenso del bloque, en él se estudian los ciclostermodinámicos, destinados a la obtención de potencia o trabajo. En primerlugar se abordan los ciclos de vapor, para finalizar con los ciclos de gas. Seestudiarán tanto los ciclos simples como los mejorados con recalentamiento,regeneración, extracción, o refrigeración intermedia

El tema se complementa con una práctica de laboratorio sobre la simulaciónpor ordenador de ciclos termodinámicos de potencia


3

1.- Introducción2.- Ciclos de Vapor

2.1.- Ciclo de Carnot2.2.- Ciclo Rankine2.3.- Ciclo Rankine con recalentamiento2.4.- Ciclo Rankine con regeneración2.5.- Ciclo Rankine con regeneración y recalentamiento2.6.- Ciclo Rankine supercrítico2.7.- Pérdidas en el ciclo Rankine

3.- Ciclos de Aire3.1.- Compresores3.2.- Ciclo de aire estándar3.3.- Ciclo de Carnot3.4.- Ciclo Otto3.5.- Ciclo Diesel3.6.- Ciclo Dual3.7.- Ciclos Ericson y Stirling3.8.- Ciclo Brayton3.9.- Ciclo Brayton regenerativo3.10.-Ciclo Brayton con recalentamiento3.11.- Ciclo Brayton regenerativo con recalentamiento y refrigeración

4.- Ciclo Combinado5.- Cogeneración6.- Máquinas Térmicas

6.1.- Turbinas de vapor6.2.- Motores de combustión6.3.- Turbinas de gas6.4.- Motor Stirling



Los ciclos termodinámicos son la base de la utilización energética

En los ciclos de potencia:

• Se extrae calor (combustible), QFC, de un foco a alta temperatura, TFC

• Se obtiene trabajo útil, W• Se cede calor residual QFF, a un foco a baja temperatura, TFF

(aire ambiente, o agua de mar, de un río, …)

Se cumple la condición de equilibrio de la energía:

1.- Introducción

FFFC QWQ

)T(Tchhperfecto gas 12p12 dT

wdqc r

0E y 0,Q Turbinas las En cin

t

21

22

12 W2

cchhMQ

[T2] Sist. Ab.

)hh(MW 21t

dpvdhdwdq r dhdq cte) (p cald/cond En

2

1dpvw cte) v (liq) bombas En 12 ppvw


1.- Introducción (II)

VAPOR DE AGUAp = 1,0 bar

T v EntalpiakJ / m3

°C m3/kg kJ / kg

0 1,2559 503,5 400.91

250 2,4136 980,6 406.28

500 3,6735 1.545,8 420.80

750 4,7211 2.053,0 434.86

1.000 5,8748 2.647.4 450.64

p = 10 bar

T v EntalpiakJ / m3

°C m3/kg kJ / kg

0 0,1260 503,5 3.996,03

250 0,2414 980,6 4.062,14

500 0,3674 1.545,8 4.207,40

750 0,4721 2.053,0 4.348,65

1.000 0,5875 2.647.4 4.506,21

AIREp = 1,0 bar

T v EntalpiakJ / m3

°C m3/kg kJ / kg

0 0,7837 274 349.62

250 1,5013 528,6 352.09

500 2,2189 795 358.29

750 2,9366 1.075,9 366.38

1.000 3,6542 1.368,6 374.53

p = 10 bar

T v EntalpiakJ / m3

°C m3/kg kJ / kg

0 0,0784 274 3.494,90

250 0,1501 528,6 3.521,65

500 0,2219 795 3.582,69

750 0,2937 1.075,9 3.663,26

1.000 0,3654 1.368,6 3.745,48


6

2.- Ciclos de vapor (I)

Turbina

Condensador

Bomba

Caldera

Qc

3

4

2

1

WB

Chimenea

Humos

Combustible

Aire

Generador

B.

Torre de Refrigeración

Vapor de agua

Identificaciónde puntos

Turbina

CondensadorBomba

Caldera

Qc

QF

3

4

2

1

WT

WB


TurbinaBombaTurbina WWWW

FCqM

wM

41

3421

hh

)hh()hh(

41

21

hh

)hh(

FC

FF

QQ

141

42

41

32

hh

hh1

hh

hh1

2.- Ciclos de vapor (II)

Identificaciónde puntos

41caldFC hhqq

)pp(vw 34Lbomb

32condFF hhqq

21Turb hhw

Por unidadde masa

LL 1v

FCQ

W

FCq

w

Turbina

CondensadorBomba

Caldera

Qc

QF

3

4

2

1

WT

WB


Dos ciclos termodinámicos básicos de vapor, el ciclo de Carnot (ideal), yel ciclo de Rankine (real), que tiene diferentes variantes

Es el idealLimitado por dos isotermas y dos adiabáticas (s cte)

FC

FF

QQ

1

)ss(TdsTq abcteT

b

a

[T4]

)ss(T

)ss(T1

41FC

32FF

FC

FFC T

T1

El foco frío es el medio ambiente, su temperatura es conocida, y Wmax es: FC

FC

ambFCC Q

T

T1QW

El calor cedido al medio ambiente en ciclosreales es superior al 55%, y se expresa:

FC

ambFCFF T

TQQ

2.- Ciclos de vapor (III)

2.1.- Ciclo de Carnot (I)

3 2

p

v

14

TC

TF

S3 S1

TC

TF

QFC

QFC


Los elementos esenciales del ciclo son:

• la turbina de vapor, (1-2) el vapor seexpande con s cte, obteniendo W

• un condensador, (2-3) condensa el vaporsaliente de la turbina a T (y p) ctes

• una bomba, (3-4) en la que se eleva lapresión isoentrópicamente

• una caldera, (4-1) a T (y p) ctes sevaporiza el agua

El trabajo absorbido en la bomba, en primera aproximación, se desprecia, yaque el obtenido en la turbina es mucho mayor

2.- Ciclos de vapor (IV)

2.1.- Ciclo de Carnot (II)

3 2

p

v

14

TC

TF

S3 S1

TC

TF


El ciclo de Carnot presenta dos problemas prácticos:La bomba trabaja mal si lo hace con vaporSi la expansión se realiza en la zona de vapor saturado corren peligro los álabes dela turbina, hay que limitar formación de agua líquida

El ciclo real trabaja con cambio de fase, el ciclo Rankine

Este ciclo, también lo describen dos isoentrópicas y dos isobaras

Ciclo de Carnot Ciclo de Rankine evitandovapor en la bomba

Ciclo de Rankine evitandovapor en la turbina (teórico)

2.- Ciclos de vapor (V)

2.2.- Ciclo Rankine (I)

3 2

T

s

14

p2

p1

3 2

T

s

1a

p2

p1

4

3 2

T

s

14

p2

p1


El ciclo de Carnot presenta dos problemas prácticos:La bomba trabaja mal si lo hace con vaporSi la expansión se realiza en la zona de vapor saturado corren peligro los álabes dela turbina, hay que limitar formación de agua líquida

El ciclo real trabaja con cambio de fase, el ciclo Rankine

Este ciclo, también lo describen dos isoentrópicas y dos isobaras

Ciclo de Carnot Ciclo de Rankine evitandovapor en la bomba

Ciclo de Rankine evitandovapor en la turbina (teórico)

2.- Ciclos de vapor (V)

2.2.- Ciclo Rankine (I)

3 2

T

s

14

p2

p1

3 2

T

s

1a

p2

p1

4

3 2

T

s

14

p2

p1

Turbina

CondensadorBomba

Caldera

Qc

QF

a

3

4

2´

1´

WT

WB

3

4

1´

2´

T

s

a 1

2

p1

p2


Para evitar líquido en la turbina, se aumenta la Tde entrada, sobrecalentamiento

El aumento de Tmax del ciclo (T1´> T1) ↑

RC

Para que (T1’= T1) debería p a medida que se evapora el aguaesto no tiene sentido práctico

En primera aproximación se desprecia el trabajo absorbido por la bomba

41́

´21́

cald

turb

cald

bombturbR hh

hhQW

QWW

2.- Ciclos de vapor (VII)

2.2.- Ciclo Rankine (II)

41́caldFC hhqq

)pp(vw 34Lbomb

3´2condFF hhqq

21Turb hhw

3

4

1´

2´

T

s

a 1

2

p1

p2

Sin sentido práctico


En una planta de potencia de vapor de agua que funcione entre laspresiones de 10 kPa y 2 MPa con una temperatura máxima de 400ºC.¿Cual es el máximo rendimiento de ese ciclo?

3

4

1

2

T

s


Para mejorar el rendimiento hay que: ↑W y/o ↓Q1:• aumentar la presión en la caldera (?¿)• aumentar la temperatura en la caldera• disminuir la temperatura de salida de la turbina

Se debe:• respetar la Tmax de la caldera, limitada por los

materiales, del orden de 600ºC• evitar trabajar en la zona de vapor saturado• considerar la Tmin que se dispone para condensar

2.- Ciclos de vapor (VI)

2.2.- Ciclo Rankine (III)

14

3

4

1

2

T

s

a

p1

30 20

p20

p2

3

4

1

2

T

s

a

p110p10

20

3

4

1

2

T

s

a

p110

20

T caldera

p caldera

T salida Turbina

3

4

1

2

T

s

a

p1

p2


15

3

4

1

2

T

s

a

p110

20

3

4

1

2

T

s

a

p1

30 20

p20

p2

3

4

1

2

T

s

a

p110

p10

20

2.- Ciclos de vapor (VI)

2.2.- Ciclo Rankine (III)

p caldera

T caldera

T salida Turbina

X

↓X

↓X



1

23

4

T

s



1

23

4

T

s



1

23

4

T

s



1

23

4

T

s

1


Tras expansionar el vapor en una turbina de alta presión (T.A./T.H.P) serecalienta para volver a ser expansionarlo en una turbina de baja (T.B./T.L.P.)

Es posible encontrar turbinas que incluyan las dos etapas

↑ W, pero no , ya que también ↑ QFC

2.- Ciclos de vapor (VIII)

2.3.- Ciclo Rankine con recalentamiento

2361

4321

RecCald

TLPTHPRecalR hhhh

hhhhQ

WW

5

6

3

4

T

s

a

p31

p1

2

Pto 2 en zona de vapor seco

T3 ≤ T1

con calor residual de la caldera

T.B.

Condensador

Bomba

Caldera

QC

QFF

5

6

4

1

WTA +TB

WB

T.A.

3

2Recalentador

QR

QFC


Para ↓Q1 se puede precalentar el agua queentra en la caldera con un sangrado oextracción de vapor de la turbina

2.- Ciclos de vapor (IX)

2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (I)

La unión del sangrado con el condensado se realiza en un elementocalentador, que puede ser abierto (mezcla) o cerrado (intercambio térmico)

La p del sangrado debe ser tal que su T de saturación sea la intermedia entrela de condensación y la de saturación en la caldera

Si hay varios sangrados, las temperaturas deben ser “equidistantes”

csvlima mmm y1y1

1Sangradosºn

TTT rCondensadoSatCalderaSat

SangradoSat

T.B.

[1]

1

WTA +TBT.A.

32

[1-y][y]

[100%-y%][100%]

[y%]

2


2.- Ciclos de vapor (X)

2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (II)

3

T

s

p31

p1

2

4

5

6

7

8

p5

p7

p9

TSat Caldera

TSat Cond

TSat Sang 1

TSat Sang 3

TSat Sang 2

1Sangradosºn

TTT rCondensadoSatCalderaSat

SangradoSat


23

csvlima mmm

2.- Ciclos de vapor (XI)

2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (III) Ec. Masa(Prop agua)

71

3221

Cald

TLPTHPRegenR hh1

hh]y1[hh1Q

WW

4

5

3

T

s

p2

1p1

2

6

7

[1]

[1-y]

[y]6

5

72

2

3

16

T.B.

Condensador

Bomba1

Caldera

QC

QFF

56

4

1

WTA +TB

WB2

T.A.

3

2

Calentadorabierto

[1] [1-y][y]

Bomba2

WB1

7

Mezcla


csvlima mmm

2.- Ciclos de vapor (XII)

2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (IV)

lima

c

lima

sv

m

m

m

m1

]y1[]y[]1[ y y1

ccsvsvlimalima mhmhmh

lima

cc

lima

svsvlima m

mh

m

mhh

Ec. Masa(Prop agua)

Ec. Energía(Prop agua)

csv

clima

hhhh

y

ccsvlima hyhhyh

)hh(yhh csvclima

)y1(hyhh csvlima

Calentadorabierto

[1]

67

[1-y]

[y] [msv]

[malim]

2

[mC]

5

6

3

4

T

s

p2

1p1

2

7

8

[1]

[1-y]

[y]

con Recal. y Regen.


ccsvsvlimalima mhmhmh

csv

climalimasv hh

hhmm

csvlima mmm 2.- Ciclos de vapor (XIII)

2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (V)

Ec. Masa(Prop agua)


T.B.

Condensador

Caldera

QC

QFF

56

4

1

WTA +TB

T.A.

3

2[1] [1-y]

[y]

Bomba

WB

7

Int. calor

Calentador

cerrado

4

5

3

T

s

p2

1p1

2

67

[1]

[1-y]

[y]

8

8Purgador[y]


2.- Ciclos de vapor (XIV)

2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (VI)

72sv56lima hhmhhm

Ec. Masa(Prop agua)


72

56

hhhh

y

72lima

sv56 hh

m

mhh

7256 hhyhh

[1]

56

[1]

[y] [msv]

[malim]

2

Calentador

cerrado

[y] [msv]7

[malim]

4

5

3

T

s

p2

1p1

2

67

[1]

[1-y]

[y]

csvlima mmm lima

c

lima

sv

m

m

m

m1

]y1[]y[]1[ y y1


27

El ciclo con regeneración , pero puede presentar problemas de vapor en laturbina, se suele combinar con el ciclo con recalentamiento

2.- Ciclos de vapor (XV)

2.5.- Ciclo Rankine con regeneración y recalentamiento

Posible con Regenerador cerrado

5

6

3

4

T

s

p2

1p1

2

7

8

[1]

[1-y]

[y]7

6

82

23

17

T.B.

Condensador

B.1

Caldera

QC

QFF

67

5

1

WTA +TB

WB2

T.A.

4

2

Calentadorabierto

[1] [1-y][y]

B.2

WB1

8

32Recalentador

QR

QFC

T.B.

[1-y]

2381

4321

Cald

TLPTHPRegRec R hh]y1[hh1

hh]y1[hh1

Q

WW


En los ciclos vistos hasta ahora, la mayor partede la transferencia de calor se realiza a T igual oinferior a la de vaporización (del orden de 250ºC)

Pero la T de los gases en la caldera puede sermucho mayor

Para mejorar el rendimiento hay que intentar que Tvapor = Thumos caldera, para loque se intenta que la transferencia térmica se haga a T

Este ciclo trata de evitar la zona bifásica

Implica p de trabajo, y por lo tanto mayor coste de instalación

Para evitar la formación de agua en la turbina es necesario que este ciclo secombine con etapas de regeneración y de recalentamiento.

2.- Ciclos de vapor (XVI)

2.6.- Ciclo Rankine supercrítico

3

T

s

1 p

2

4


Los ciclos reales tienen pérdidas, debidasa enfriamientos, pérdidas de carga enconductos, en la bomba, etc

El mayor porcentaje se produce en la etapade expansión, que tiene un rendimientoentre el 80 y el 90%

s21

21

ctes

realTurb hh

hhWW

43

s43

real

ctesBomb hh

hhWW

Existen otras pérdidas, como las de la caldera, del orden del 15% del calorsuministrado por el combustible, y que deben ser tenidas en cuenta en elrendimiento de la planta térmica …, por ello el װ de los ciclos ronda el 35%

2.- Ciclos de vapor (XVII)

2.7.- Pérdidas en el Ciclo Rankine

Este efecto ↓η, pero reduce laposibilidad de encontrar aguaen la turbina Bomb

s4334

hhhh

)hh(hh s21Turb12

4

3

T

s

a

p2

1p1

22s

4s


En una planta de potencia de vapor de agua que funcione entre laspresiones de 10 kPa y 2 MPa con una temperatura máxima de 600ºC. Sila turbina, que está térmicamente aislada, tiene un rendimientoadiabático del 90%. Determinar el máximo rendimiento del ciclo y latemperatura de salida del vapor de agua de la turbina

1

2S

3

4

T

S

2


Comprimen, mediante el empleo de un trabajo exterior, un gas, (aire, o mezcla)Elevan su temperaturaEl trabajo aplicado al compresor es: EntradaSalidacompS hhw

Los compresores volumétricos:• Para bajos caudales• Las válvulas hacen que el ciclo real sea mayor

Las etapas del ciclo de compresión son:• 1-2 compresión (s cte)• 2-3 expulsión (p cte)(abre val. de escape)• 3-4 expansión (s cte)• 4-1 admisión (p cte) (abre val. de adm.)

31

41Vol VV

VV

al el espacio muerto (V3)(al modificar V3 también lo hace V4)técnicamente es necesario por las válvulas y las tolerancias mecánicas

3.- Ciclos de gas (I)

3.1.- Compresores (I)

Por unidad de masa

4 1

p

v

23Real

Ideal / Teórico

s3 s1

Expulsión

Admisión

p2

p1

pint.S

F patm.S

pint.S


Wcomp se puede si se extrae Q, (refrigerando)

Suponiendo la compresión adiabática es:

12comp hhw

Si la capacidad térmica es cte, en una compresión con s = cte:

De esta manera se puede expresar el trabajo como:

1pp

T1

Rw

1

1

21comp

3.- Ciclos de gas (II)

3.1.- Compresores (II)

Interesa T1 baja

)TT(cw 12pcomp Th

cp

[T2]

1

1

212 p

pTT[T1]

4 1

p

v

23

s3s1 (Q=0)

p2

p1

2´

T(Q<0)

Ref.

Pos. relativa s cte / T cte


Constructivamente es difícil refrigerar en el interior del compresor; en lapráctica se instalan dos compresores, y una etapa intermedia de refrigeración

wcomp es suma de dos etapas

1p

pT

1

R1

p

pT

1

Rw

1

b2

2b2

1

1

a21comp

La refrigeración ideal es la que iguala la T de entrada a la segunda etapa a lade entrada a la primera; además será ideal si no se pierde presión

b2a2b21 pp;TT

3.- Ciclos de gas (III)

3.1.- Compresores (III)

s

T

1

2a

2

2b

2c

p2

p1

p2b4 1

p

v

23

s3s1 (Q=0)

p2

p1

Ref.

2a2b

2c

T1

Comp.2

1

WCp1 +Cp2

Comp.1.

42 3

Refrigerador

QFF


34

Para optimizar la presión intermedia, pc:

Es decir, la relación de presiones es la misma en cada etapa

Si la compresión se realizara en más etapas esta regla se mantendría

f

2

d

e

1

c

pp

pp

pp

32

21c ppp 3 2

21e ppp

Los compresores centrífugos y axiales

• aptos para grandes caudales de gas• proporcionan pequeñas relaciones de compresión• si se desea alcanzar grandes presiones es necesario colocar varias etapas

0dpdw

c

Se obtiene:d

2

1

c

p

p

p

p21c ppp

3.- Ciclos de gas (IV)

3.1.- Compresores (IV)

1pp

T1

R1

pp

T1

Rw

1

b2

2b2

1

1

a21comp


El Compresor tiene un rendimiento isoentrópico

12comp hhw

• con s = cte:

1

1

21s2 p

pTT

3.- Ciclos de gas (V)

3.1.- Compresores (V)

)TT(cw 12pcomp T

hcp

1s2comps hhw

comp

compscomps W

W

)TT(cw 1s2pcomps

12

1s2comps TT

TT

comps

1s212

TTTT

12

1s2comps hh

hh

comps

1s212

hhhh

Tch p

1

2s2

s

T

p2

p1


Un compresor volumétrico debe proporcionar 20 kg/min de aire a 1.600kPa. Al compresor le entra aire atmosférico a 20ºC. Determinar el trabajonecesario si se supone que el compresor tiene un rendimiento del 90%

1

2s2

s

T

p2

p1


Si para realizar la compresión anterior se utilizan dos compresores, derendimiento del 90%, con una refrigeración intermedia. Determinar eltrabajo necesario

s

T

1

2s 2

3

4s 4

p2

p1

p4


38

Formado por dos adiabáticas y dos isócoras

Se supone:• un ciclo de trabajo• todo es aire, el combustible es “despreciable”• gas ideal, capacidades caloríficas constantes• no existe proceso de admisión• el escape es una transferencia de calor al exterior a volumen constante• los PMS y PMI son los volúmenes mínimo y máximo, (V2 y V1)• el volumen correspondiente al PMS es el espacio muerto

21 VVCilindrada

21

22

VVV

CilindradaV

c:muertovolumendePorcentaje

21cmp V/Vr:compresióndelaciónRe

21

ciclo

VVW

PME:efectivamediaPresión

2

3crt V

Vr:cortederelación

3.- Ciclos de gas (VI)

3.2.- Ciclo de aire estándar

pint.S

F patm.S

pint.S

4

1

T

s

2

3v2

v1

PMSPMI

4

1

p

v

2

3

s3

s1

PMS PMI

Inicio y final dela combustión


39

Formado por dos adiabáticas y dos isotermas 4 a 1 expansión a T cte en la que se transfiere calor, QFC, de un foco caliente a TFC 1 a 2 expansión a s cte 2 a 3 compresión a T cte en la que se transfiere calor, QFF, a un foco frío a TFF 3 a 4 compresión a s cte

FFFC QQW FCQ

W

FC

FFFC

Q

QQ

FC

FF

FC

FF

T

T1

Q

Q1

3.- Ciclos de gas (VII)

3.3.- Ciclo de Carnot

v

p

Ta

S (Q=0)

Tb>Ta

[T1]

41

23

s

T

QFF

QFC4

1

2

3

v

p

QFF

QFC

s1

s3

T1

T2


Se produce una expansión a s cte (3-4) Finalmente se comunica a v cte el calor al exterior (4-1)

Formado por dos adiabáticas y dos isócoras Se comprime el aire a s cte (1-2) Se realiza la combustión brusca, necesita una

chispa que la inicie; el calor generado eleva lapresión interior (2-3) a v cte

)TT(cmQ 23vaireFC

)TT(cmQ 14vaireFF

1cmp

Ottor

11

3.- Ciclos de gas (VIII)

3.4.- Ciclo Otto (I)

Isoentríopicas ( )(1-2, y 3-4)

ctevp

p

vPMS PMI

4

1

2

3

s3

s1QFF

QFC

4

1

T

s

2a 3v2

v1

PMSPMIQFF

QFC

v2a

2

3a

Isocoras (v = cte), (2-3, y 4-1):


41

1cmp

Ottor

11

3.- Ciclos de gas (IX)

3.4.- Ciclo Otto (II)

Rendimiento Otto

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Relación de compresión

En el ciclo Otto, al rcmp

Si T3 y V3, , la isóbara y laisócora divergen;

(QFC pero W )

s

T

v = cte

p = cte

[T4]

p

vPMS PMI

4

1

2

3

s3

s1QFF

QFC

4

1

T

s

2a 3v2

v1

PMSPMIQFF

QFC

v2a

2

3a


Un motor de ignición forzada tiene una relación de compresión de 10, mientrasfunciona con Tª mínima de 200ºC y presión de mínima de 200 kPa. Si el trabajoque debe proporcionar es 1.000 kJ/kg. Calcular el rendimiento térmico máximoposible y comparar con un ciclo de Carnot. Calcular la PME

p

vPMS PMI

4

1

2

3

s3

s1 QFF

QFC

4

1

T

s

2a 3v2

v1

PMSPMIQFF

QFC

v2a

2

3a


Si rcmp es grande (>14) autodetona elcombustible sin necesidad de chispa

• Se comprime el aire a s cte (1-2)• La p hace que detone, el calor provoca una expansión con p cte (2-3)• Se produce una expansión a s cte (3-4)• Se comunica el calor al exterior a v cte (4-1)

Isóbara (p = cte): (2-3)

3.- Ciclos de gas (X)

3.5.- Ciclo Diesel (I)

Adiabáticas: ctevp

Isocora (v = cte): (4-1)

s

T

v = cte

p = cte

[T4]

p

vPMS PMI

4

1

2 3

s3

s1 QFF

QFC

4

1

T

s

2

p2

v1

PMSPMI

3a3

4a

QFF


3.- Ciclos de gas (XI)

3.5.- Ciclo Diesel (II)

En el ciclo Diesel, al rcmp (al igual que en el ciclo Otto)

Para una rcmp Otto > Diesel

En la práctica rcmp Diesel > rcmp Otto y Otto < Diesel

Si T3 y V3, , la isóbara y la isócora convergen; W pero QFC(En el ciclo Otto este efecto es contrario)

p

vPMS PMI

4

1

2 3

s3

s1 QFF

QFC

4

1

T

s

2

p2

v1

PMSPMI

3a3

4a

QFF

)1r(

1r

r

11

crt

crt1

cmp

Diesel


45

112 rT/T

3.- Ciclos de gas (XII)

3.5.- Ciclo Diesel (III)

En el ciclo Diesel:

• al rcmp • al rcrt

2

3crt V

Vr

2

1cmp V

Vr

p

vPMS PMI

4

1

2 3

s3

s1 QFF

QFC

4

1

T

s

2

p2

v1

PMSPMI

3a3

4a

QFF

)1r(

1r

r

11

crt

crt1

cmp

Diesel


Un ciclo diesel con una relación de compresión de 18 funciona con aire ypresión de mínima de 200 kPa y Tª mínima de 200ºC. Si el trabajo producido esde 1.000 kJ/kg. Calcular el rendimiento térmico máximo posible y compara conun ciclo de Carnot. Calcular la PME, y comparar con un ciclo Otto funcionandocon la misma presión máxima

p

vPMS PMI

4

1

2 3

s3

s1 QFF

QFC

4

1

T

s

2

p2

v1

PMSPMI

3a3

4a

QFF


47

Modela la combustión en dos etapas:• una primera a v cte (Otto)• otra segunda a p cte (Diesel)

• Se inicia comprimiendo a s cte (1-2)• Se suministra calor a v cte (2-3) [Otto]• Se sigue comunicando calor, pero a p cte (3-4) [Diesel]• Se produce una expansión a s cte (4-5)• Finalmente se comunica el calor al exterior a v cte (5-1)

Si el motor es Otto el punto 3 es coincidente con el 4, y si el Diesel el 2 con el 3

)TT(c)TT(cmQ 34p23vaireFC

)TT(cmQ 15vaireFF

2

3

2

4p p

ppp

r:presiones de Relación

)TT(TTTT

13423

15Dual

1r)1r(r

1rr

r

11

pcrtp

crtp1

cmp

Dual

3

4

2

4crt V

VVV

r

3.- Ciclos de gas (XIII)

3.6.- Ciclo Dual (I)p

vPMS PMI

5

1

2

4

s4

s1 QFF

QFC2

QFC1

3

s

T

v cte

p cte

[T4]T

1

T

s

2

p3

v1

PMSPMI

43

5

QFF

v2

Final de inicio dela combustión

Final e inicio dela combustión


48

En el ciclo Otto rcrt = 1

Otto1cmpp

p1

cmpcrtDual

r

11

1r0

1r

r

11

1r

En el ciclo Diesel rp = 1

Dieselcrt

crt1

cmpcrt

crt1

cmppDual )1r(

1r

r

11

0)1r(

1r

r

11

1r

3.- Ciclos de gas (XIV)

3.6.- Ciclo Dual (II)

34crt V/Vr

23p p/pr

p

vPMS PMI

5

1

2

4

s4

s1

3

34crt vvr

2

3p p

pr

21cmp vvr

← 4 carreras / 4 tiempos →

p

vPMS PMI

W > 0

Ciclo real

W < 0Escape

Admisión

1r)1r(r

1rr

r

11

pcrtp

crtp1

cmp

Dual


Ericsson: dos isotermas y dos isobarasStirling: por dos isotermas y dos isócoras

El suministro de Q se realiza a T cte (Q23= Q41)

En el regenerador, el aire de escape precalienta el aire de entrada

QFC a T cte, = Carnot

El calor se puede obtener mediante combustión externa (malos combustibles)

Problemas constructivos real< teórico

3.- Ciclos de gas (XV)

3.7.- Ciclos Ericson y Stirling

p

v

41

2 3

T3T1

4

1

T

s2

p2

p1

QF

C

3

QF

F

FC

FF

TT

1

4

1

T

s2

v2

v1

QF

C

3

QF

F

p1

p

v

4

1

2

3T3

T1

T.G.

1

WCp

Comp.

42 3

Regenerador

WTG

QReg


La turbina de gas puede funcionar:

• Con un ciclo abierto, con una cámara de combustión

• Con uno cerrado, con dos intercambiadores de calor

3.- Ciclos de gas (XVI)

3.8.- Ciclo Brayton (I)

turbina

compresor

W

WtoacoplamiendeRelación puede alcanzar el 80%

T.G.

1

Comp.

42 3

QF

F

WTG

Cámara de Combustión

Aire

Gases de escape

1 4

2 3

QF

F

WTG

Inter. Calor 1

QF

C

I.C.2

T.G.Comp.

Combustión externa


El ciclo Brayton es:con dos adiabáticas y dos isobaras

• La compresión y expansión son isoentrópicas

• El calor se comunica y extrae con p cte

3.- Ciclos de gas (XVII)

3.8.- Ciclo Brayton (II)

1

2p p

pr:resionespdeRelación

T.G.

1

Comp.

42 3

QF

F

WTG

Cám. Comb.

Aire

Gases de escape

1 4

2 3

QF

F

WTG

Inter. Calor 1

QF

C

I.C.2

T.G.Comp.

p

v

41

2 3

s3s1

QFF

QFC

4

1

T

s

2 p2

p1

3

QFF

2a

3a

QFC


Se supone cp cteCálculos precisos deben tener en cuenta su variación

)TT(cmQ 23paireFC

)TT(cmQ 14paireFF )TT(c

)TT(c1

Q

Q1

23p

14p

FC

FF

3.- Ciclos de gas (XVIII)

3.8.- Ciclo Brayton (III)

T.G.

1

Comp.

42 3

QF

F

WTG

Cám. Comb.

Aire

Gases de escape

1 4

2 3

QF

F

WTG

Inter. Calor 1

QF

C

I.C.2

T.G.Comp.

/1

p

12p

1

2

1

2

1Brayton r1

p/prp

p1

T

T1


53

Rendimiento Brayton

0

0,2

0,4

0,6

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Relación de presiones

3.- Ciclos de gas (XIX)

3.8.- Ciclo Brayton (IV)

T.G.

1

Comp.

42 3

QF

F

WTG

Cám. Comb.

Aire

Gases de escape

1 4

2 3

QF

F

WTG

Inter. Calor 1

QF

C

I.C.2

T.G.Comp.

/1pBrayton r1


54

3.- Ciclos de gas (XX)

3.8.- Ciclo Brayton (III)

12

1s2

real

ctesCompisoent hh

hh

W

W

s no cte ↓ aprox.15%

T.G.

1

Comp.

42 3

QF

F

WTG

Cám. Comb.

Aire

Gases de escape

1 4

2 3

QF

F

WTG

Inter. Calor 1

QF

C

I.C.2

T.G.Comp.

4

1

T

s

p2

p1

QFC

QFF

2

3

4

1

T

s

p2

p1

QFC

QFF

2s

3

2

4s

s43

43

ctes

realTurbisoent hh

hh

W

W

23 ppReal 12 ssReal

34 ssReal

14 ppReal

Sólo se considera

s ≠ cte


Al compresor de una turbina de gas entra aire a 100 kPa y 25ºC. Para unarelación de presiones de 5 y una temperatura máxima de 850ºC determinar larelación de acoplamiento y el rendimiento térmico utilizando el ciclo Brayton

p

v41

2 3

s3

s1

QFF

QFC

4

1

T

s

2 p2

p1

3

QFF

2a

3a

QFC


Al compresor de una turbina de gas entra aire a 100 kPa y 25ºC. Para unarelación de presiones de 5 y una temperatura máxima de 850ºC determinar larelación de acoplamiento y el rendimiento térmico utilizando el ciclo Brayton

p

v41

2 3

s3

s1

QFF

QFC

4

1

T

s

2 p2

p1

3

QFF

2a

3a

QFC

Determinar: los trabajos desarrollados porla turbina, absorbido por el compresor, elentregado por el grupo al exterior, y loscalores suministrados y expulsado


Si el compresor y la turbina del ejercicio anterior tienen un rendimiento del80%. Determinar: los trabajos desarrollados por la turbina y absorbido por elcompresor, el trabajo que entrega el grupo t-c al exterior, la relación deacoplamiento, los calores suministrados y expulsado, y el rendimiento térmico


Int.Calor

1

4

2 CámaraComb.

3

QFF

WTG

QF

C

T.G.

Comp.

X

YEl calor cedido al exterior se aprovecha conun regenerador (interc. de calor)

El ideal iguala Tas entrada y salida

2y4x TT;TT

Real:

Ideal:

)T/T(1

1)T/T(

T

T1

TT

TT1

W

W1

Q

WW

34

12

3

1

43

12

turb

comp

FC

compturb

3.- Ciclos de gas (XXI)

3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (I)

ctes]2T[

)TT(chh bapba

4

1

T

s

2

p2

p1

QFC

3

QFF

p

v4

1

2 3

s3s1

QFF

QFC

X

Y

XY

QReg

QReg

Ideal: TY=T2

Ideal: TX=T4

)TT(cmQ x3paireFC

)TT(cmQ 43paireFC

)TT(cmW 43paireturb

)TT(cmW 12pairecomp

turbFC WQ


El calor cedido al exterior se aprovecha conun regenerador (interc. de calor)

El ideal iguala Tas entrada y salida

2y4x TT;TT

Real:

Ideal:

)T/T(1

1)T/T(

T

T1

TT

TT1

W

W1

Q

WW

34

12

3

1

43

12

turb

comp

FC

compturb

3.- Ciclos de gas (XXI)

3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (I)

ctes]2T[

)TT(chh bapba

Int.Calor

1

4

2 CámaraComb.

3

QFF

WTG

QF

C

T.G.

Comp.

X

Y

4

1

T

s

2

p2

p1

QFC

3

QFF

p

v4

1

2 3

s3s1

QFF

QFC

X

Y

XY

QReg

QReg

Ideal: TY=T2

Ideal: TX=T4

)TT(cmQ x3paireFC

)TT(cmQ 43paireFC

)TT(cmW 43paireturb

)TT(cmW 12pairecomp

turbFC WQ

4

1

T

s

2

p2

p1

QFC

3

QFF

XYQReg

Ideal: TY=T2

Ideal: TX=T4

2y4x TT;TT

)TT(cmQ x3paireFC

)TT(cmQ 43paireFC

)TT(cmW 43paireturb

)TT(cmW 12pairecomp

Real:

Ideal:

turbFC WQ

p

v

41

2 3

s3s1

QFF

QFCX

Y

QReg

v

p S cte

T cte

T4

T2

Ideal: TY=T2

Ideal: TX=T4


)T/T(1

1)T/T(

T

T1

34

12

3

1

Adiabáticas:(1-2)

(3-4)

Isobaras: (2-3) y (4-1):

3.- Ciclos de gas (XXII)

3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (II)

/)1(p

3

1gReB r

T

T1

4

1

T

s

2

p2

p1

QFC3

QFF

p

v41

2 3

s3s1

QFF

QFC

X

Y

X YQRegQReg


Rendimiento Brayton Regenerativo

0

0,2

0,4

0,6

0,8

2 3 4 5 6 7 8 9 10Relación de presiones

T1 = 100ºC

T3 = 850ºC

BReg↓ al ↑rp

2y4x TT;TT

3.- Ciclos de gas (XXIII)

3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (III)4

1

T

s

2

p2

p1

QFC3

QFF

p

v41

2 3

s3s1

QFF

QFC

X

Y

X YQRegQReg

/)1(p

3

1gReB r

T

T1


/)1(p

3

1gReB r

T

T1

Para rp bajas BReg> B

Para rp altas BReg < B

)/1(p

)/1(pBr r1r1 B↑ al ↑rp

BReg↓ al ↑rp

En el regenerador no se pueden igualar las Tas 2y4x TT;TT

24

2x

24

2xreg TT

TT

hh

hh

3.- Ciclos de gas (XXIV)

3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (IV)

Rendimiento Brayton

0

0,2

0,4

0,6

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Relación de presiones

Rendimiento Brayton Regenerativo

0

0,2

0,4

0,6

0,8

2 3 4 5 6 7 8 9 10Relación de presiones

T1 = 100ºC

T3 = 850ºC


T max limitada por los álabes de la turbinaEl recalentamiento ↑ el área del ciclo sin ↑ T maxSe necesitan dos turbinas y una segunda cámara de combustión (recalentador)

La presión intermedia debe hacer que las relaciones de presiones sean iguales 1

X

X

2

p

p

p

p

3.- Ciclos de gas (XXV)

3.10.- Ciclo Brayton con recalentamiento

4

1

T

s

2

p2

p1

QF

C1

3

QF

F

X

Y

pX=pY

QF

C21

4

2

Cám.Comb.

3

WTG 1+2

QF

C1

T.G.1

Comp.

X Y

T.G.2

QF

C2

Cám.Rec.


Para mejorar el funcionamiento se puede introducir una refrigeración intermedia entre dosetapas de compresión complementado con un recalentamiento y un regenerador

La presión intermedia en el recalentamiento debe ser la misma que en la refrigeración

1

2

2

4

p

p

p

p

3.- Ciclos de gas (XXVI)

3.10.- Ciclo Brayton regenerativo con recalentamiento y refrigeración

1

84

Cp.2

5

WTG

QF

C1

6 7

T.G.2

QF

C2

Cám.Rec.

Cám.Comb.

Refrig.

Cp.1 T.G.1

Int.Calor

2 3

X

YQFF

81

8

1

T

s

3

p2

p1

QF

C1 5

QF

F1

6

7

p2 = p3 = p6 = p7

QF

C2

4

QF

F2

X

Y2

QReg


Para mejorar el funcionamiento se puede introducir una refrigeración intermedia entre dosetapas de compresión complementado con un recalentamiento y un regenerador

La presión intermedia en el recalentamiento debe ser la misma que en la refrigeración

1

2

2

4

p

p

p

p

3.- Ciclos de gas (XXVI)

3.10.- Ciclo Brayton regenerativo con recalentamiento y refrigeración

1

84

Cp.2

5

WTG

QF

C1

6 7

T.G.2

QF

C2

Cám.Rec.

Cám.Comb.

Refrig.

Cp.1 T.G.1

Int.Calor

2 3

X

YQFF

81

8

1

T

s

3

p2

p1

QF

C1 5

QF

F1

6

7

p2 = p3 = p6 = p7

QF

C2

4

QF

F2

X

Y2

QReg

T

s

p2

p1Q

FC

1

QF

F1

p2 = p3 = p6 = p7

QF

C2

QF

F2

QReg

4s

6s

X

Y

3

57

1

2

6 8

4s

8s

2s


Determinar la relación de acoplamiento y el rendimiento térmico Si al compresorde una turbina de gas le entra aire a 100 kPa y 25ºC, tiene una relación depresiones de 5 y una temperatura máxima de 850ºC, se le añade un regeneradorideal.

4

1

T

s

2

p2

p1

QFC

3

QFF

XYQReg

Ideal: TY=T2

Ideal: TX=T4


Una turbina de gas tiene una compresión en dos etapas con refrigeraciónintermedia, un recalentador ideal y una postcombustión. Considerando elcompresor y la turbina isoentrópicos, determinar el rendimiento si alcompresor le entra aire a 100 kPa y 25ºC, la relación de presiones es de 5y la temperatura máxima de 850ºC

T

s

p2

p1

QF

C1

QF

F1

p2 = p3 = p6 = p7

QF

C2

7

QF

F2

QReg

9

86

1

2

3

4 10

5


4.- Ciclo Combinado (I)

Los gases de escape de unaturbina de gas, o un motor decombustión, se emplean paraalimentar térmicamente unacaldera de recuperación de unciclo de vapor

Quemador auxiliar

Gases de escape de dos T.G.

1 4

2

Comp. T.G.

3

QF

F

WTG

Aire

Gases de escape

Camara.

Combust.

T.V.

Condensador

Bomba

Caldera de recuperación

QF

9

6

8

7

WTV

WB

QF

5


4.- Ciclo Combinado (I)

Los gases de escape de unaturbina de gas, o un motor decombustión, se emplean paraalimentar térmicamente unacaldera de recuperación de unciclo de vapor

Quemador auxiliar

Gases de escape de dos T.G.

T.V.

Condensador

Bomba


QF

9

6

8

7

WTV

WB

QF

5

Gases de escape

QF

F

Aire

WTMACI

QFC


T.V.

Condensador

Bomba


QF

9

6

8

7

WTV

WB

QF

5

4.- Ciclo Combinado (II)

1 4

2

Comp. T.G.

3

QF

F

WTG

Aire

Gases de escape

Camara.

Combust.

Ideal:

T5 = T6 y T7 = T4

p4 = p5 y p7 = p4

)TT(cm)TT(cm 67pvaporvapor54paireaire

)hh(m)hh(m 67vapor54aire

FC

TVcmpTGCombCiclo Q

WWW

T7 → T4

T5 → T6

T5.- CICLOS DE POTENCIAC

entr

al T

érm

ica

de C

iclo

Com

bina

do (

I)A

rrub

al, L

a R

ioja

(2

x 40

0 M

W)


Cen

tral

Tér

mic

a de

Cic

lo C

ombi

nado

(II)

Arr

ubal

, La

Rio

ja (

2 x

400

MW

)


Central Térmica de Ciclo Combinado (III)Arrubal, La Rioja (2 x 400 MW)


Una planta simple de potencia de vapor funciona entre las presiones de 10 kPa y4 MPa con una Tª máxima de 400ºC. La potencia obtenida en la turbina de vapores de 100 MW. La energía suministrada a la caldera se toma de una T.G. quetoma aire a 100 kPa a 25ºC, tiene una relación de presiones de 5 y una Tªmáxima de 850ºC. Los gases de escape salen de la caldera a 350K. Determinar elrendimiento del ciclo combinado (Brayton-Rankine)

1 4

2

Comp. T.G.

3

WTG

QFC

Aire

Camara.Combust.

T.V.

Condensador

Bomba


QF

9

6

8

7

WTV

WB

QF

5

QF

F


En un ciclo combinado los gases de escape de la TG (que entrega en el eje 100 MW, de losque parte son absorbidos por el compresor) se aprovechan en una caldera de recuperaciónpara producir vapor de agua y alimentar una TV. El compresor tiene una relación depresiones de 5 y toma aire a 100 kPa y 25ºC, siendo la T alcanzada en el combustor de850ºC, y saliendo los gases de escape de la caldera de recuperación a 80ºC. El vapor seobtiene a 8,6 MPa y 300ºC, y la condensación del ciclo se produce a 10 kPa. (Wbomba= 0, yturbinas y compresor son ideales, s = cte; ɣaire = 1,4 ; Cpaire = 1,1 kJ/kgK)

• Relación de acoplamiento en la T.G.• El rendimiento del ciclo Brayton• Masa de aire en kg/s• Trabajos desarrollado por la TG,

absorbido por el compresor, y entregadoen el eje por el grupo

• Calores a comunicar en el combustor yextraído en el escape de la TG

• Masa de vapor• Trabajo desarrollado por la T.V.• Rendimiento del ciclo combinado

1 4

2

Comp. T.G.

3

WTG

QFC

Aire

Camara.Combust.

T.V.

Condensador

Bomba


QF

9

6

8

7

WTV

WB

QF

5

QF

F


En un ciclo combinado los gases de escape de la TG (que entrega en el eje 100 MW, de losque parte son absorbidos por el compresor) se aprovechan en una caldera de recuperaciónpara producir vapor de agua y alimentar una TV. El compresor tiene una relación depresiones de 5 y toma aire a 100 kPa y 25ºC, siendo la T alcanzada en el combustor de850ºC, y saliendo los gases de escape de la caldera de recuperación a 80ºC. El vapor seobtiene a 8,6 MPa y 300ºC, y la condensación del ciclo se produce a 10 kPa. (Wbomba= 0, yturbinas y compresor son ideales, s = cte; ɣaire = 1,4 ; Cpaire = 1,1 kJ/kgK)

1 4

2

Comp. T.G.

3

WTG

QFC

Aire

Camara.Combust.

T.V.

Condensador

Bomba


QF

9

6

8

7

WTV

WB

QF

5

QF

F

Vapor secoPa 10 103 Pa

h (kJ/kg) s (kJ/kg K)45ºC 188 6,4

300ºC 3.080 9,3

Pa 8,6 106 Pah (kJ/kg) s (kJ/kg K)

45ºC 196 0,64300ºC 1.350 3.3

Vapor húmedoLíq. Vapor Líq. Vapor

ºC 45 300Pa 10 103 8,6 106

h (kJ/kg) 188 2.580 1.350 2.750s (kJ/kg )K 0,64 8.2 2,3 5,7


5.- Cogeneración (I)

Aprovechamiento térmico del calor residual de un ciclo de potencia

• Del calor cedido en el condensador• De los gases de escape de un motor o turbina• De la refrigeración de la lubricación de un motor

TRIGENERACION:Aprovechamiento del calor de calor de cogeneración para producir fríocon un sistema de absorción (T6)


T.V.

Cond.

Caldera

QComb

Ch

imen

ea

Generador

Torre de Ref.

5.- Cogeneración (II)

Centrales de extracción

Co

mb

ust

ible

Pérdidas de Caloren la Envolvente

B1

B2B.

B.

UtilizaciónTérmica

QUtil

Central eléctricaconvencional

Cogeneración2 Opciones de

Funcionamiento

Ext

racc

ión

de

Vap

or


T.V.

Cond.

Caldera

QComb

Ch

imen

ea

Generador

Torre de Ref.


Centrales de extracciónC

om

bu

stib

le


B1

B2B.

B.

QUtil

Central eléctricaconvencional


Ext

racc

ión

de

Vap

or

T.V.

Cond.

Caldera

QComb

Ch

imen

ea

Generador

Torre de Ref.


Centrales de extracción

Co

mb

ust

ible


B1

B2B.

B.


QUtil

Cogeneración


Ext

racc

ión

de

Vap

or

5.- Cogeneración (III)

Central Back-Pressure o Contrapesión

T.V.

Caldera

QComb

Ch

imen

ea

Generador

Co

mb

ust

ible


BB.


QUtil

Cogeneración


5.- Cogeneración (IV)

Motores diesel

Caldera de

Recuperación

QComb Elect.Generador


QUtil

Motor Diesel

QE

scap

e

Turbinade Aire

Ref. AguaRef. Aceite

B


5.- Cogeneración (IV)

Motores diesel

Caldera de

Recuperación

QComb Elect.Generador


QUtil

Motor Diesel

QE

scap

e

Turbinade Aire Compresor

Ref. AguaRef. Aceite

BCooler


5.- Cogeneración (V)

Turbinas de gas

Caldera de

Recuperación

Elect.Generador


QUtil

QE

scap

e

T.G. Comp.

B

CombustorAuxiliar

Combustor

G.N.


5.- Cogeneración (VI)

Centrales de ciclo combinado

Caldera de

Recuperación

Gen. 1


QE

scap

e

T.G. Comp.

CombustorAuxiliar

Combustor

G.N.

T.V. Gen. 2

Cond.

B1

B2


5.- Cogeneración (VII)

T. Gas Motor Diesel

Rendimiento mecánico 35% 40%

O2 en los gases de escape 14% 1-2%

Nivel entálpico de la energía térmica AltoAlto en gases de escapeBajo en refrig. del motor

Coste económico Alto Medio

Costes de mantenimiento Alto Medio

Respuesta a los cambios de potenciasolicitada

Mala Buena

Ruidos y vibraciones Alto Medio

Contaminación atmosférica Similar


5.- Cogeneración (VIII)

Rendimiento anualRatio

Electricidad/Calor

Combustible líq o gas

Combustible sólido

District Heating

Industrial

Turbina de vapor de contrapresión 85 % 84 % 0,45 0,30

Turbina de vapor de condensación y extracción

85 % 84 % 0,45 0,30

Turbina de gas 86 % 0,55 0,40

Ciclo combinado 88 % 0,95 0,75

Motor de combustión 84 % 0,75 0,60


5.- Cogeneración (IX)

Presión salida (bar) Ratio Electricidad / Calor para turbinas de vapor

0,4 0,33 0,41 0,45 0,48 0,50 0,5 0,62

0,4 a 0,8 0,31 0,38 0,42 0,45 0,47 0,55 0,58

0,8 0,3 0,35 0,40 0,43 0,45 0,52 0,55

1,5 0,26 0,32 0,35 0,38 0,41 0,47 0,49

2 0,24 0,29 0,32 0,36 0,40 0,44 0,47

3 0,21 0,26 0,30 0,33 0,38 0,40 0,43

4 0,19 0,24 0,28 0,30 0,35 0,37 0,40

5 0,22 0,26 0,29 0,32 0,35 0,38

6 0,21 0,24 0,26 0,29 0,33 0,36

8 0,18 0,22 0,24 0,27 0,31 0,33

10 0,20 0,22 0,25 0,27 0,30

12 0,18 0,21 0,23 0,26 0,28

14 0,17 0,19 0,22 0,24 0,26

16 0,18 0,21 0,23 0,24

Presión vapor (bar) vivo / reinyectado 40 60 80 100 120 140/40 180/45

Tª vapor (ºC) 450 480 500 520 530 535 535

Tª agua alimentación (ºC) 140 180 200 210 225 240 260

Potencia entregada (MW) 10 20 30 35 40 100 150


6.- Máquinas Térmicas (I)

6.1.- Turbinas de vapor (I)

Transforma la entalpía del vapor de agua en energía mecánica en su eje

Su rendimiento es el más bajo de todas las máquinas térmicas cíclicas

Según el número de etapas se pueden clasificar en:

• Turbinas simples o monoetapasposeen un único escalonamiento

• Turbinas compuestas o multietapacon varios escalonamientos


6.- Máquinas Térmicas (II)

6.1.- Turbinas de vapor (II)

En función de la presión del vapor a la salida:

• Turbinas de contrapresión; el vapor seextrae a p > patm, el vapor tras su paso porla turbina tiene un aprovechamiento

• Turbinas de condensación; el vapor sale ap < patm, llegando a salir vapor húmedo


6.- Máquinas Térmicas (III)

6.2.- Motores de combustión (I)

La combustión del combustible serealiza en el interior de un cilindro,cuyo cierre lo forma un émboloque lo recorre (pistón)

• Gasolina• Diesel (autodetona por compresión)• Gas

2CilindroDiámetroPotencia

3.C.DCilindrada

3.C.DMotorMasa

.C.D

1

)cc(Cilindrada

)kW(Potencia

.C.D

1

)kg(Masa

)kW(Potencia ↓al D.C


6.- Máquinas Térmicas (IV)

6.2.- Motores de combustión (I)

2T 4T

OTTOPot Bajas

(ligeros)Pot Medias

DIESELPot Altas

(tamaño)Pot Medias

• De 4 tiempos; (mayor peso y mayor rendimiento)

• De 2 tiempos; admisión-compresión y expansión-escapecon = cilindrada y rpm, desarrolla más potencia (trabajo en cada carrera)

cortocircuito admisión escape OTTO desperdicio de combustible


6.- Máquinas Térmicas (V)

6.2.- Motores de combustión (III)

Los motores pueden tener aspiración naturalo ser sobrealimentados

Necesitan refrigeración, lubricación y salidade gases (se puede extraer el calor)

Los gases están a T 400ºC, en una caldera sepuede producir vapor o agua caliente

de 0,45 kWth por cada kWeje

De la refrigeración de las camisas se puedeobtener agua caliente a T 80 a 90ºC

de 0,5 a 0,8 kWth por cada kWeje


6.- Máquinas Térmicas (VI)

6.3.- Turbinas de gas (I)

Se componen principalmente de tres elementos:• Compresor, que comprime el aire comburente• Cámara(s) de combustión, dispuesta(s) radialmente• Turbina accionada por los gases

La turbina es serie de álabes con un cierto ángulo de inclinación ángulo,solidarios con una parte móvil, sobre los que incide el gas y hace girar


6.- Máquinas Térmicas (VII)

6.3.- Turbinas de gas (II)

Giran a gran velocidad, peligro con los desequilibrioLas partículas que pueda arrastrar el aire en la entrada son muy perjudicialesEl combustible debe estar perfectamente filtrado

En los gases de escape está contenido el calor que cede la máquina térmica

Las turbinas de gas pueden tener varias etapas

T empeora su funcionamiento


6.- Máquinas Térmicas (VIII)

Caldera

Calor

Humos

Cilindro

Desplazador

Pistón de trabajo

Regenerador

Refrigeración

Bielas con 90º de desfase

Volante

6.4.- Motor Stirling (I)


6.- Máquinas Térmicas (IX)

6.4.- Motor Stirling (II)

Expande el aire

Contrae el aire

Calor

Frío


6.- Máquinas Térmicas (X)

6.4.- Motor Stirling (III)

Aquí se entrega trabajo al exterior y gira el volante

Al suceder esto, una serie de bielas mueven el desplazador hacia arriba, desplazando lamayor parte del aire a través del regenerador hacia la zona fría

(carrera desplazador > carrera del pistón; desfasadas 90º)

Allí se enfría el aire, baja la presión, el pistón sube, y se repite el ciclo

El desplazador es liviano y no conducefácilmente calor de un extremo a otro

Al medio existe un anillo de material capaz deabsorber y ceder calor que es el regenerador

Cuando el desplazador se mueve hacia abajo, lamayor parte del aire dentro del cilindro quedaen la zona caliente y se expande, empujando elpistón de trabajo hacia abajo

El pistón mueve el volante, y este al desplazador


6.- Máquinas Térmicas (XI)

6.4.- Motor Stirling (IV)

http://www.moteur-stirling.com/Diapo8.gif

En movimiento en:

Calor

Calor

Frío

Espaciador

Aire en el cilindro Inercia del volantemueve el desp.

El espaciador va en adelanto 90º

respecto al pistón


6.- Máquinas Térmicas (XII)

6.4.- Motor Stirling (V)

http://www.moteur-stirling.com/Diapo8.gif

Calor:aire expande y

mueve el pistónhacia abajo

Frío:El aire contrae y mueve el pistón

hacia arriba

Espaciador

Aire en el cilindro Inercia del volantemueve el desp.

Pistón Trabajo

El espaciador va en adelanto 90º

respecto al pistón

Calor:aire expande y

mueve el pistónhacia abajo

En movimiento en:


6.- Máquinas Térmicas (XIII)

6.4.- Motor Stirling (VI) http://www2.ubu.es/ingelec/maqmot/

Programa de simulación del funcionamiento de

una Máquina Stirling

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Termodinámica y Mecánica de Fluidos T5.- CICLOS DE ... WEB/Trasp Termo y MF... · T5.- CICLOS DE POTENCIA 1 Termodinámica y Mecánica de Fluidos Grados en Ingeniería Marina y