problema ciclo combinado

7/23/2019 problema ciclo combinado

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CICLO DE POTENCIA COMBINADO

Un ciclo de turbina de gas toma 20 kg/s de aire ambiente a 15ºC, lo comprime hasta 1200 kPa y lo calienta en

una cámara de combustión hasta 1200ºC. Los gases que salen de la turbina calientan el vapor de un ciclo de

Rankine y salen del cambiador de calor (caldera) a 100ºC. La bomba del ciclo de Rankine opera entre la

presión de baja de 10 kPa y la presión de alta de 6 MPa. Sabiendo que la eficacia isoentrópica de las turbinas

de gas y vapor es del 85% y la del compresor 80%, se pide:

(a) Representar de forma aproximada en un diagrama T-S el ciclo de turbina de gas propuesto

(b) Calcular la potencia neta desarrollada por la turbina de gas (kW)

(c) Determinar el flujo de calor suministrado a la cámara de combustión (kW)

Se sabe que la turbina de vapor trabaja de forma adecuada con un contenido de agua que no supere el 10%.

En estas condiciones:

(d) Determinar el grado de sobrecalentamiento del vapor de agua que sale de la caldera en función del título

del vapor que sale de la turbina

(e) Calcular la potencia desarrollada por la turbina de vapor (kW) en función del grado de sobrecalentamiento

del vapor que sale de la caldera

(f) Determinar el flujo másico de vapor de agua que sale de la caldera (kg/s) en función del grado desobrecalentamiento

(g) Calcular el rendimiento térmico del ciclo combinado en función del grado de sobrecalentamiento

(h) A la vista de los resultados de los apartados anteriores justificar cual sería el grado de sobrecalentamiento

óptimo y representar en el diagrama T-S del agua el ciclo de Rankine para esas condiciones de operación

(i) Determinar el rendimiento térmico que se obtendría si el ciclo de turbina de gas se utilizase individualmente

(j) Determinar el rendimiento térmico del ciclo de Rankine si se emplease de forma individual sabiendo que el

flujo de calor suministrado a la caldera es 9500 kW



CICLO DE TURBINA DE GAS

maire = 20 kg/s

Cpaire = 1 kJ/kgºC Capacidad calorífica media del aire

ESTADO 5P5 = 101,325 kPa

T5 = 15 ºC

ESTADO 6P6 = 1200 kPa

ESTADO 7T7 = 1200 ºC

P7 = 1200 kPa

ηCOMP = 0,8

ηTURB = 0,85

ESTADO 8

P8 = 101,325 kPa

ESTADO 9T9 = 100 ºC

P9 = 101,325 kPa

Calculo de la T de salida de los gases de la turbina de gas (T8)

T8 = 839,0 K

Calculo de la T de salida de los gases deL COMPRESOR (T6)

T6 = 657,8 K

Calculo del trabajo de la turbina de gas

WTG = 12683,9 kW

Calculo del trabajo del compresor de gas

WCG = 7392,7 kW

Potencia neta desarrollada por la turbina de gas (WTG-WCG)

W NETA TG = 5291,2 kW

Flujo de calor suministrado a la cámara de combustión (kW)

Q SUM = 16307,3 kW

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−=⇒

−

−==

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ =

−

−

γ

γ

γ

γ

η η

1

7

8,78

87

87,

1

7

878

11P

PT T

T T

T T

w

w

P

PT T

TURBs

ss

realTURBs

s

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+

−⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=⇒−

−==

⎟⎟ ⎠ ⎞⎜⎜

⎝ ⎛ =

−

−

1

1

,

1

5

6

56

56

56,

1

5

656

COMPs

s

real

sCOMPs

s

P

P

T T T T

T T

w

w

PPT T

η η

γ

γ

γ

γ

)( 87 T T CpmW aaTG −= &

)( 56 T T CpmW aaCG −= &

CGTGTG NETO W W W −=,

)( 67 T T CpmQ aaSUM −= &



CICLO TURBINA DE VAPOR

ESTADO 1 (Líquido saturado a P1 = 10 kPa)

P1 = 10 kPa

T1 = 45,8 ºC

v1 = 0,001 m /kg

H1 = 191,8 kJ/kg

ESTADO 2 (Líquido comprimido a P 2 = 6 MPa)

P2 = 6000 kPa

Cálculo del trabajo de la bomba

WBOMBA = 5,99 kJ/kg

Cálculo de la entalpía 2 (H2)

H2 = 197,79 kJ/kg

ESTADO 3: Vapor sobrecalentado que sale de la caldera aP3 = 6000 kPa (necesito condic ión +)

P3 = 6000 kPa

ηTURB = 0,85

Proceso de tanteo:

Supongo T3 --> Calculo H3, S3 --> Isoentrópico (S3 = S4) calculo H4s

--> Con la eficacia turbina --> Calculo H 4 y título de vapor x (punto 4) hasta estar dentro

de los límites de operación de la turbina x > 90%

ESTADO 4: Mezcla L-V a 10 kPaH (kJ/kg) S (kJ/kgºC)

P4 = 10 kPa 0 191,8 0,6491

x

100 2584,6 8,151

T3 H3 S3 xs H4s H4 x(ºC) (kJ/kg) (kJ/kgºC) (%) (kJ/kg) (kJ/kg) (%)

300 2884,2 6,0682 72,2 1920,3 2064,9 78,3

350 3043 6,3342 75,8 2005,1 2160,8 82,3

400 3177,2 6,5415 78,5 2071,2 2237,1 85,5

450 3301,8 6,7201 80,9 2128,2 2304,2 88,3

475 3362,0 6,8006 82,0 2153,9 2335,1 89,6

500 3422,1 6,8811 83,1 2179,6 2365,9 90,9525 3481,4 6,9554 84,1 2203,2 2395,0 92,1

550 3540,6 7,0296 85,1 2226,9 2424,0 93,3

575 3599,5 7,0991 86,0 2249,1 2451,6 94,4

600 3658,4 7,1685 86,9 2271,2 2479,3 95,6

625 3717,3 7,2341 87,8 2292,1 2505,9 96,7

650 3776,2 7,2996 88,7 2313,0 2532,5 97,8

675 3835,3 7,3619 89,5 2332,9 2558,3 98,9

700 3894,3 7,4242 90,3 2352,8 2584,0 100,0

)( 121 PPvW BOMBA −=

BOMBAW H H += 12

ss

realTURBs

H H

H H

w

w

43

43,−

−

==η



mvapor WTV WTG WOBT QSUM CICLO

(kg/s) (kW) (kW) (kW) (kW) (%)

3,47 2841,4 5291,2 8126,5 16307,3 49,8

3,27 2888,6 5291,2 8173,8 16307,3 50,1

3,13 2939,4 5291,2 8224,6 16307,3 50,4

3,00 2994,0 5291,2 8279,2 16307,3 50,8

2,94 3023,4 5291,2 8308,5 16307,3 50,92,89 3051,6 5291,2 8336,8 16307,3 51,12,84 3082,3 5291,2 8367,5 16307,3 51,3

2,79 3111,9 5291,2 8397,1 16307,3 51,5

2,74 3143,6 5291,2 8428,8 16307,3 51,7

2,69 3174,2 5291,2 8459,4 16307,3 51,9

2,65 3206,6 5291,2 8491,7 16307,3 52,1

2,60 3237,8 5291,2 8523,0 16307,3 52,3

2,56 3270,6 5291,2 8555,8 16307,3 52,5

2,52 3302,3 5291,2 8587,4 16307,3 52,7

GRAFICAS

Sobrecalentamiento: Vapor saturado a 6000 kPa (Ts = 275,6ºC)

Grado de sobrecalentamiento: T3-Ts

Sob. x mvapor WTV

(ºC) (%) (kg/s) (kW) (%)

199,4 89,6 2,94 3023,4 50,9

224,4 90,9 2,89 3051,6 51,1249,4 92,1 2,84 3082,3 51,3

274,4 93,3 2,79 3111,9 51,5299,4 94,4 2,74 3143,6 51,7

324,4 95,6 2,69 3174,2 51,9

349,4 96,7 2,65 3206,6 52,1

374,4 97,8 2,60 3237,8 52,3

399,4 98,9 2,56 3270,6 52,5

424,4 100,0 2,52 3302,3 52,7

Sob. x % Aumento(ºC) (%)

199,4 89,6

224,4 90,9 1,44249,4 92,1 1,33

274,4 93,3 1,32

299,4 94,4 1,24

324,4 95,6 1,22

349,4 96,7 1,16

374,4 97,8 1,15

399,4 98,9 1,10

424,4 100,0 1,09

A medida que aumenta el grado de sobrecalentamiento, el flujo de vapor que se obtiene

disminuye ligeramente, pero la potencia obtenida en la turbina aumenta porque se incrementa más la

diferencia de entalpías (H3-H4) y cada vez se obtiene un vapor recalentado con mayor título.

El trabajo neto desarrollado por el ciclo aumenta mientras que el calor suministrado permanece

constante. Esto se traduce en una aumento del rendimiento térmico del ciclo

TÍTULO VAPOR - SOBRECALENTAMIENTO

85,0

90,0

95,0

100,0

150 200 250 300 350 400 450 500

Sobrecalentamiento (ºC)

T í t u l o v a p o r ( % )

)( 43 T H mW vTV −= &

BOMBATV TV NETO W W W −=,

SUM

TV NETOTG NETO

CICLOQ

W W ,, +=η



Sob. mvapor % Dismin .(ºC) (kg/s)

199,4 2,94

224,4 2,89 -1,87

249,4 2,84 -1,80

274,4 2,79 -1,77299,4 2,74 -1,73

324,4 2,69 -1,70

349,4 2,65 -1,67

374,4 2,60 -1,65

399,4 2,56 -1,62

424,4 2,52 -1,60

Sob. WTV % Aumento

(ºC) (kW)

199,4 3023,35

224,4 3051,62 0,93

249,4 3082,33 1,01

274,4 3111,95 0,96

299,4 3143,61 1,02

324,4 3174,19 0,97

349,4 3206,55 1,02

374,4 3237,85 0,98

399,4 3270,58 1,01

424,4 3302,26 0,97

Sob. % Aumento(ºC) (%)

199,4 50,9

224,4 51,1 0,34

249,4 51,3 0,37

274,4 51,5 0,35

299,4 51,7 0,38

324,4 51,9 0,36

349,4 52,1 0,38

374,4 52,3 0,37

399,4 52,5 0,38

424,4 52,7 0,37

Cálculo del rendimiento térmico del ciclo de gas y de vapor si se empleasen de forma independiente

W NETA TG = 5291,2 kW W NETA TV = 3045,6 kW

QSUM TG = 16307,3 kW QSUM TV = 9500 kW

CICLO TG = 32,4 % CICLO TV = 32,1 %

POTENCIA TV - SOBRECALENTAMIENTO

2800,0

2900,0

3000,0

3100,0

3200,0

3300,0

3400,0

150 200 250 300 350 400 450


W T V

( k W )

RENDIMIENTO DEL CICLO- SOBRECALENTAMIENTO

48,0

50,0

52,0

54,0

150 200 250 300 350 400 450


C I C L O ( % )

FLUJO MÁSICO VAPOR - SOBRECALENTAMIENTO

2,20

2,40

2,60

2,80

3,00

3,20

150 200 250 300 350 400 450


m v a p

o r

( k g / s )

CCOMBSUM

TG NETO

TG

Q

W

,

,=η

CALDERA

TV NETO

TV

Q

W ,=η

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