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Tema05.CiclosdePotencia

TermodinámicayMáquinasTérmicas

InmaculadaFernándezDiegoSeverianoF.PérezRemesal

CarlosJ.RenedoEstébanezDPTO.DEINGENIERÍAELÉCTRICAYENERGÉTICA

EstetemasepublicabajoLicencia:CreaJveCommonsBY‐NC‐SA3.0

2

T 05.- Ciclos de Potencia

Objetivos:

Este tema es el más extenso, en él se estudian los ciclos termodinámicos, destinados a la obtención de potencia o trabajo. En primer lugar se abordan los ciclos de vapor, para finalizar con los ciclos de gas. Se estudiarán 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 simulación por ordenador de ciclos termodinámicos de potencia

TERMODINÁMICA Y MÁQUINAS TÉRMICAS

3

1.- Introducción 2.- Ciclos de Vapor

2.1.- Ciclo de Carnot 2.2.- Ciclo Rankine 2.3.- Ciclo Rankine con recalentamiento 2.4.- Ciclo Rankine con regeneración 2.5.- Ciclo Rankine con regeneración y recalentamiento 2.6.- Ciclo Rankine supercrítico 2.7.- Pérdidas en el ciclo Rankine

3.- Ciclos de Aire 3.1.- Compresores 3.2.- Ciclo de aire estándar 3.3.- Ciclo de Carnot 3.4.- Ciclo Otto 3.5.- Ciclo Diesel 3.6.- Ciclo Dual 3.7.- Ciclos Ericson y Stirling 3.8.- Ciclo Brayton 3.9.- Ciclo Brayton regenerativo 3.10.-Ciclo Brayton con recalentamiento 3.11.- Ciclo Brayton regenerativo con recalentamiento y refrigeración

4.- Máquinas Térmicas 4.1.- Turbinas de vapor 4.2.- Motores de combustión 4.3.- Turbinas de gas 4.4.- Motor Stirling

T 05.- CICLOS DE POTENCIA

4

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 (I)

[T2] Sist. Ab.

5


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

Identificación de puntos

Turbina

Condensador Bomba

Caldera

Qc

QF

3

4

2 1

WT

WB

6


2.- Ciclos de vapor (II)

Identificación de puntos

Por unidad de masa

Turbina

Condensador Bomba

Caldera

Qc

QF

3

4

2 1

WT

WB

7

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

Es el ideal Limitado por dos isotermas y dos adiabáticas (s cte)

[T4]

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

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


2.- Ciclos de vapor (III)

2.1.- Ciclo de Carnot (I)

3 2

p

v

1 4

TC

TF

S3 S1

TC

TF

8

Los elementos esenciales del ciclo son: •  la turbina de vapor, (1-2) el vapor se

expande con s cte, obteniendo W •  un condensador, (2-3) condensa el vapor

saliente de la turbina a T (y p) ctes •  una bomba, (3-4) en la que se eleva la

presión isoentrópicamente •  una caldera, (4-1) a T (y p) ctes se

vaporiza el agua

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


2.- Ciclos de vapor (IV)

2.1.- Ciclo de Carnot (II)

3 2

p

v

1 4

TC

TF

S3 S1

TC

TF

9

El ciclo de Carnot presenta dos problemas prácticos: La bomba trabaja mal si lo hace con vapor Si la expansión se realiza en la zona de vapor saturado corren peligro los álabes de la 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 evitando vapor en la bomba

Ciclo de Rankine evitando vapor en la turbina (teórico)


2.- Ciclos de vapor (V)

2.2.- Ciclo Rankine (I)

3 2

T

s

1 4

p2

p1

3 2

T

s

1 a

p2

p1

4

3 2

T

s

1 4

p2

p1

10

El ciclo de Carnot presenta dos problemas prácticos: La bomba trabaja mal si lo hace con vapor Si la expansión se realiza en la zona de vapor saturado corren peligro los álabes de la 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


2.- Ciclos de vapor (V)

2.2.- Ciclo Rankine (I)

Turbina

Condensador Bomba

Caldera

Qc

QF

a

3

4

2´ 1´

WT

WB

Ciclo de Carnot Ciclo de Rankine evitando vapor en la bomba

Ciclo de Rankine evitando vapor en la turbina (teórico)

3 2

T

s

1 4

p2

p1

3 2

T

s

1 a

p2

p1

4

3 2

T

s

1 4

p2

p1

3

4

1´

2´

T

s

a 1

2

p1

p2

11

Para evitar líquido en la turbina, se aumenta la T de entrada, sobrecalentamiento

El aumento de Tmax del ciclo (T1´> T1) ↓η

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

En primera aproximación se desprecia el trabajo absorbido por la bomba


2.- Ciclos de vapor (VII)

2.2.- Ciclo Rankine (II)

3

4

1´

2´

T

s

a 1

2

p1

p2

Sin sentido práctico

12

T 05. - CICLOS DE POTENCIA

3

4

1

2

T

s

a

p1

30 20

p20

p2

3

4

1

2

T

s

a

p1 10 p10

20

3

4

1

2

T

s

a

p1 10

20

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)

↑T caldera

↑p caldera

↓T salida Turbina

3

4

1

2

T

s

a

p1

p2

13

3

4

1

2

T

s

a

p1 10

20

3

4

1

2

T

s

a

p1

30 20

p20

p2

3

4

1

2

T

s

a

p1 10 p10

20


2.- Ciclos de vapor (VI)

2.2.- Ciclo Rankine (III)

↑p caldera

↑T caldera

↓T salida Turbina

↑X

↓X

↓X

14

Tras expansionar el vapor en una turbina de alta presión (T.A./T.H.P) se recalienta 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 η, ya que también ↑ QFC


2.- Ciclos de vapor (VIII)

2.3.- Ciclo Rankine con recalentamiento

5

6

3

4

T

s

a

p3 1 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

2 Recalentador

QR

QFC

15

Para ↓Q1 se puede precalentar el agua que entra en la caldera con un sangrado o extracción 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 elemento calentador, que puede ser abierto (mezcla) o cerrado (intercambio térmico)

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

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

T.B.

[1]

1

WTA +TB T.A.

3 2

[1-y] [y]

[100%-y%] [100%] [y%]

2

16


2.- Ciclos de vapor (X)

2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (II)

3

T

s

p3 1

p1

2

4

5

6

7

8

p5

p7

p9

TSat Caldera

TSat Cond

TSat Sang 1

TSat Sang 3

TSat Sang 2

17


2.- Ciclos de vapor (XI)

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

4

5

3

T

s

p2

1 p1

2 6

7

[1]

[1-y]

[y] 6

5

7 2

2

3

1 6

T.B.

Condensador

Bomba1

Caldera

QC

QFF

5 6

4

1

WTA +TB

WB2

T.A.

3

2

Calentador abierto

[1] [1-y] [y]

Bomba2

WB1

7

Mezcla

18


2.- Ciclos de vapor (XII)

2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (IV)

Ec. Masa (Prop agua)

Ec. Energía (Prop agua)

Calentador abierto [1]

6 7

[1-y]

[y] [msv]

[malim]

2

[mC]

5

6

3

4

T

s

p2

1 p1

2 7

8

[1]

[1-y]

[y]

con Recal. y Regen.

19


2.- Ciclos de vapor (XIII)

2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (V)



T.B.

Condensador

Caldera

QC

QFF

5 6

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

1 p1

2 6 7

[1]

[1-y]

[y]

8

8 Purgador [y]

20


2.- Ciclos de vapor (XIV)

2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (VI)



[1]

5 6

[1]

[y] [msv]

[malim]

2

Calentador

cerrado

[y] [msv] 7

[malim]

4

5

3

T

s

p2

1 p1

2 6 7

[1]

[1-y]

[y]

21

El ciclo con regeneración ↑η, pero puede presentar problemas de vapor en la turbina, 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

1 p1

2 7

8

[1]

[1-y]

[y] 7

6

8 2

2 3

1 7

T.B.

Condensador

B.1

Caldera

QC

QFF

6 7

5

1

WTA +TB

WB2

T.A.

4

2

Calentador abierto

[1] [1-y] [y]

B.2

WB1

8

3 2 Recalentador

QR

QFC

T.B.

[1-y]

22

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

Pero la T de los gases en la caldera puede ser mucho mayor

Para mejorar el rendimiento hay que intentar que Tvapor = Thumos caldera, para lo que 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 se combine con etapas de regeneración y de recalentamiento.


2.- Ciclos de vapor (XVI)

2.6.- Ciclo Rankine supercrítico

3

T

s

1 p

2

4

23

Los ciclos reales tienen pérdidas, debidas a enfriamientos, pérdidas de carga en conductos, en la bomba, etc

El mayor porcentaje se produce en la etapa de expansión, que tiene un rendimiento entre el 80 y el 90%

Existen otras pérdidas, como las de la caldera, del orden del 15% del calor suministrado por el combustible, y que deben ser tenidas en cuenta en el rendimiento 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 la posibilidad de encontrar agua en la turbina

4

3

T

s

a

p2

1 p1

2 2s

4s

24

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

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.)

η↑ 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

2 3 Real

Ideal / Teórico

s3 s1

Expulsión

Admisión

p2

p1

pint.S

F patm.S

pint.S

25


Wcomp se puede ↓ si se extrae Q, (refrigerando)

Suponiendo la compresión adiabática es:

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

De esta manera se puede expresar el trabajo como:

3.- Ciclos de gas (II)

3.1.- Compresores (II)

Interesa T1 baja

[T2]

[T1]

4 1

p

v

2 3

s3 s1 (Q=0)

p2

p1

2´

T (Q<0)

Ref.

Pos. relativa s cte / T cte

26

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

wcomp es suma de dos etapas

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


3.- Ciclos de gas (III)

3.1.- Compresores (III)

s

T

1

2a

2

2b

2c

p2

p1

p2b 4 1

p

v

2 3

s3 s1 (Q=0)

p2

p1

Ref.

2a 2b

2c

T1 ⇒

Comp.2

1

WCp1 +Cp2

Comp.1.

4 2 3

Refrigerador

QFF

27

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

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

Se obtiene:


3.- Ciclos de gas (IV)

3.1.- Compresores (IV)

28


El Compresor tiene un rendimiento isoentrópico

•  con s = cte:

3.- Ciclos de gas (V)

3.1.- Compresores (V)

1

2s 2

s

T

p2

p1

29

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


3.- Ciclos de gas (VI)

3.2.- Ciclo de aire estándar

pint.S

F patm.S

pint.S

4

1

T

s

2 3 v2

v1

PMS PMI

4

1

p

v

2

3

s3

s1

PMS PMI

30

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


3.- Ciclos de gas (VII)

3.3.- Ciclo de Carnot

v

p

Ta

S (Q=0)

Tb>Ta

[T1]

4 1

2 3

s

T

QFF

QFC 4

1

2

3

v

p

QFF

QFC

s1

s3

T1

T2

31

•  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 la presión interior (2-3) a v cte


3.- Ciclos de gas (VIII)

3.4.- Ciclo Otto (I)

Isoentríopicas ( ) (1-2, y 3-4)

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

p

v PMS PMI

4

1

2

3

s3

s1 QFF

QFC

4

1

T

s

2a 3 v2

v1

PMS PMI QFF

QFC

v2a

2

3a

32


3.- Ciclos de gas (IX)

3.4.- Ciclo Otto (II)

En el ciclo Otto, al ↑rcmp ↑η

Si ↑T3 y V3, η↑, la isóbara y la isócora divergen;

(QFC↑ pero W ↑↑)

s

T

v = cte

p = cte

[T4]

p

v PMS PMI

4

1

2

3

s3

s1 QFF

QFC

4

1

T

s

2a 3 v2

v1

PMS PMI QFF

QFC

v2a

2

3a

33

Si rcmp es grande (>14) autodetona el combustible 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:

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

T

v = cte

p = cte

[T4]

p

v PMS PMI

4

1

2 3

s3

s1 QFF

QFC

4

1

T

s

2

p2

v1

PMS PMI

3a 3

4a

QFF

34


3.- Ciclos de gas (XI)

3.5.- Ciclo Diesel (II)

En el ciclo Diesel, al ↑rcmp ↑η (al igual que en el ciclo Otto) Para una rcmp ηOtto > ηDiesel

En la práctica rcmp Diesel > rcmp Otto y ηOtto < ηDiesel Si ↑T3 y V3, η↓, la isóbara y la isócora convergen; W↑ pero QFC↑↑ (En el ciclo Otto este efecto es contrario)

p

v PMS PMI

4

1

2 3

s3

s1 QFF

QFC

4

1

T

s

2

p2

v1

PMS PMI

3a 3

4a

QFF

35


3.- Ciclos de gas (XII)

3.5.- Ciclo Diesel (III)

En el ciclo Diesel:

•  al ↑rcmp ↑η •  al ↑rcrt ↓η

p

v PMS PMI

4

1

2 3

s3

s1 QFF

QFC

4

1

T

s

2

p2

v1

PMS PMI

3a 3

4a

QFF

36

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


3.- Ciclos de gas (XIII)

3.6.- Ciclo Dual (I) p

v PMS 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

PMS PMI

4 3

5

QFF

v2

37

En el ciclo Otto rcrt = 1

En el ciclo Diesel rp = 1


3.- Ciclos de gas (XIV)

3.6.- Ciclo Dual (II)

p

v PMS PMI

5

1

2

4

s4

s1

3

← 4 carreras / 4 tiempos →

p

v PMS PMI

W > 0

Ciclo real

W < 0 Escape

Admisión

38

Ericsson: dos isotermas y dos isobaras Stirling: 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, η = η Carnot

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

Problemas constructivos ηreal< ηteórico


3.- Ciclos de gas (XV)

3.7.- Ciclos Ericson y Stirling

p

v 4 1

2 3

T3 T1

4

1

T

s 2

p2

p1

QFC

3

QFF

4

1

T

s 2

v2

v1

QFC

3

QFF

p1

p

v

4

1

2

3 T3

T1

T.G.

1

WCp

Comp.

4 2 3

Regenerador

WTG

QReg

39

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)

puede alcanzar el 80%

T.G.

1

Comp.

4 2 3

QFF

WTG

Cámara de Combustión

Aire

Gases de escape

1 4

2 3

QFF

WTG

Inter. Calor 1 Q

FC

I.C.2

T.G. Comp.

Combustión externa

40

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)

T.G.

1

Comp.

4 2 3

QFF

WTG

Cám. Comb.

Aire

Gases de escape

1 4

2 3

QFF

WTG

Inter. Calor 1

QFC

I.C.2

T.G. Comp.

p

v

4 1

2 3

s3 s1

QFF

QFC

4

1

T

s

2 p2

p1

QFC 3

QFF

2a

3a

41

Se supone cp cte Cálculos precisos deben tener en cuenta su variación


3.- Ciclos de gas (XVIII)

3.8.- Ciclo Brayton (III)

T.G.

1

Comp.

4 2 3

QFF

WTG

Cám. Comb.

Aire

Gases de escape

1 4

2 3

QFF

WTG

Inter. Calor 1

QFC

I.C.2

T.G. Comp.

42


3.- Ciclos de gas (XIX)

3.8.- Ciclo Brayton (IV)

T.G.

1

Comp.

4 2 3

QFF

WTG

Cám. Comb.

Aire

Gases de escape

1 4

2 3

QFF

WTG

Inter. Calor 1

QFC

I.C.2

T.G. Comp.

43


3.- Ciclos de gas (XX)

3.8.- Ciclo Brayton (III)

s no cte ⇒ ↓η aprox.15%

T.G.

1

Comp.

4 2 3

QFF

WTG

Cám. Comb.

Aire

Gases de escape

1 4

2 3

QFF

WTG

Inter. Calor 1

QFC

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

Sólo se considera s K cte

44


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

El ideal iguala Tas entrada y salida

Real:

Ideal:

3.- Ciclos de gas (XXI)

3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (I) Int. Calor

1

4

2 Cámara Comb.

3

QFF

WTG

QFC

T.G.

Comp.

X

Y

4

1

T

s

2

p2

p1

QFC

3

QFF

p

v 4 1

2 3

s3 s1

QFF

QFC X

Y

X Y QReg QReg

Ideal: TY=T2

Ideal: TX=T4

45


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

El ideal iguala Tas entrada y salida

3.- Ciclos de gas (XXI)

3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (I) Int. Calor

1

4

2 Cámara Comb.

3

QFF

WTG

QFC

T.G.

Comp.

X

Y

4

1

T

s

2

p2

p1

QFC

3

QFF

X Y QReg

Ideal: TY=T2

Ideal: TX=T4 Real:

Ideal:

p

v 4

1

2 3

s3 s1

QFF

QFC X

Y

QReg

v

p S cte

T cte

T4

T2

Ideal: TY=T2

Ideal: TX=T4

46

Adiabáticas: (1-2)

(3-4)

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


3.- Ciclos de gas (XXII)

3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (II) 4

1

T

s

2

p2

p1

QFC 3

QFF

p

v 4 1

2 3

s3 s1

QFF

QFC

X

Y

X Y QReg QReg

47

ηBReg↓ al ↑rp


3.- Ciclos de gas (XXIII)

3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (III) 4

1

T

s

2

p2

p1

QFC 3

QFF

p

v 4 1

2 3

s3 s1

QFF

QFC

X

Y

X Y QReg QReg

48

Para rp bajas ηBReg> ηB

Para rp altas ηBReg < ηB

ηB↑ al ↑rp

ηBReg↓ al ↑rp

En el regenerador no se pueden igualar las Tas


3.- Ciclos de gas (XXIV)

3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (IV)

49

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

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


3.- Ciclos de gas (XXV)

3.10.- Ciclo Brayton con recalentamiento

4

1

T

s

2

p2

p1

QFC

1

3

QFF

X

Y

pX=pY

QFC

2 1 4

2 Cám.

Comb. 3

QFF

WTG

QFC

1

T.G.1

Comp.

X Y

T.G.2 Q

FC2

Cám. Rec.

50

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

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


3.- Ciclos de gas (XXVI)

3.10.- Ciclo Brayton regenerativo con recalentamiento y refrigeración

8

1

T

s

3

p2

p1

QFC

1 5

QFF

1

6

7

p2=p3 =p6=p7

QFC

2

4

QFF

2

X

Y 2

QReg

1

8 4

Cp.2

5

QFF

WTG

QFC

1

6 7

T.G.2

QFC

2

Cám. Rec.

Cám. Comb.

Refrig.

Cp.1 T.G.1

Int. Calor

2 3

X

Y QFF

8 1

51

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

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


3.- Ciclos de gas (XXVI)

3.10.- Ciclo Brayton regenerativo con recalentamiento y refrigeración

8

1

T

s

3

p2

p1

QFC

1 5

QFF

1

6

7

p2=p3 =p6=p7

QFC

2

4

QFF

2

X

Y 2

QReg

1

8 4

Cp.2

5

QFF

WTG

QFC

1

6 7

T.G.2

QFC

2

Cám. Rec.

Cám. Comb.

Refrig.

Cp.1 T.G.1

Int. Calor

2 3

X

Y QFF

8 1

T

s

p2

p1

QFC

1

QFF

1

p2=p3 =p6=p7

QFC

2

QFF

2

QReg

4s

6s

X

Y

3

5 7

1

2

6 8

4

8s

2s

52


4.- Máquinas Térmicas (I)

MÁQUINAS DE FLUIDO

MÁQUINAS HIDRÁULICAS

MÁQUINAS TÉRMICAS

TURBOMÁQUINAS (flujo continuo)

MÁQUINAS VOLUMÉTRICAS (de desplazamiento positivo)

TURBOMÁQUINAS (flujo continuo)

MÁQUINAS VOLUMÉTRICAS (de desplazamiento positivo)

GENERADORAS

MOTORAS

GENERADORAS

MOTORAS

GENERADORAS (turbocompresores) MOTORAS (turbina de gas, turbina de vapor)

GENERADORAS (compresores volumétricos)

MOTORAS (motores de combustión interna alternativos Otto, Diésel, motor Stirling)

53


4.- Máquinas Térmicas (I)

4.1.- 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 monoetapas poseen un único escalonamiento

•  Turbinas compuestas o multietapa con varios escalonamientos

http://libros.redsauce.net/Turbinas/Vapor/PDFs/05Tvapor.pdf

54


4.- Máquinas Térmicas (II)

4.1.- Turbinas de vapor (II)

En función de la presión del vapor a la salida:

•  Turbinas de contrapresión; el vapor se extrae a p > patm, el vapor tras su paso por la turbina tiene un aprovechamiento

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

Figuras: http://libros.redsauce.net/Turbinas/Vapor/PDFs/05Tvapor.pdf

55


4.- Máquinas Térmicas (III)

4.1.- Turbinas de vapor (III)

En función de la forma de aprovechamiento de la energía contenida en el flujo de vapor:

•  Turbinas de vapor de reacción

•  Turbinas de vapor de acción

Presión Velocidad

Escalonamiento de velocidad (CURTIS) (T: Tobera; R: Rodete; E: Enderezador)

T R E R E

56



4.1.- Turbinas de vapor (III)

En función de la forma de aprovechamiento de la energía contenida en el flujo de vapor:

•  Turbinas de vapor de reacción

•  Turbinas de vapor de acción

Presión Velocidad

Escalonamiento de presión (RATEAU) (T: Tobera; R: Rodete)

T R T R T R T

57


4.- Máquinas Térmicas (IV)

4.1.- Turbinas de vapor (IV)

En función de la dirección del flujo de vapor:

• axiales

• radiales Principales elementos turbina de vapor:

•  Rotor

•  Carcasa •  Alabes •  Válvula regulación •  Cojinetes de apoyo, de bancada o radiales •  Cojinete de empuje o axial •  Sistema de lubricación •  Sistema de refrigeración de aceite •  Sistema de control de aceite •  Sistema de sellado de vapor •  Virador •  Compensador http://dim.usal.es/eps/mmt/?paged=3

58



4.2.- Motores de combustión (I)

La combustión del combustible se realiza en el interior de un cilindro, cuyo cierre lo forma un émbolo que lo recorre (pistón)

•  Gasolina •  Diesel (autodetona por compresión) •  Gas

↓al ↑D.C

http://2.bp.blogspot.com/-mo62tAG8r7Q/TaMqHycaSrI/AAAAAAAAAGw/dUMhtwaiZAQ/s1600/motor.png

Arbol de levas Válvulas Arbol de levas

Biela Cigüeñal Eje (acoplamientos por

poleas y correas) Cárter (aceite)

Engranajes de la transmisión

59


4.- Máquinas Térmicas (IV)

4.2.- Motores de combustión (I)

2T 4T

OTTO Pot Bajas (ligeros)

Pot Medias

DIESEL Pot Altas (tamaño)

Pot Medias

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

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

⇒ cortocircuito admisión escape ⇒ OTTO desperdicio de combustible

60

Eje de balancines Manómetro

Bomba de aceite

Filtro

Regulador


4.- Máquinas Térmicas (V)

4.2.- Motores de combustión (III)

Los motores pueden tener aspiración natural o ser sobrealimentados

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

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

de 0,45 kWth por cada kWeje

De la refrigeración de las camisas se puede obtener agua caliente a T ≈ 80 a 90ºC

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

http://www.almuro.net/sitios/Mecanica/imagenes/engrase/figura02.jpg

61


4.- Máquinas Térmicas (VI)

4.3.- 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

Figuras: http://libros.redsauce.net/Turbinas/Gas/PDFs/01Tgas.pdf

62


4.- Máquinas Térmicas (VII)

4.3.- Turbinas de gas (II)

Giran a gran velocidad, peligro con los desequilibrio Las partículas que pueda arrastrar el aire en la entrada son muy perjudiciales El 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

63


4.- Máquinas Térmicas (VII)

4.3.- Turbinas de gas (II)

Giran a gran velocidad, peligro con los desequilibrio Las partículas que pueda arrastrar el aire en la entrada son muy perjudiciales El 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 Po

tenc

ia E

léct

rica

(kW

)

Tª ambiente (ºC) 40 0 30 10 1.500

2.000

2.500

Tª ambiente (ºC)

Tª G

ases

Esc

ape

(ºC

)

40 0 30 10 500

550

600

Tª ambiente (ºC) 40 0 30 10 Cau

dal G

ases

Esc

ape

(t/h)

25

30

35

64

4.4.- Motor Stirling (I)


4.- Máquinas Térmicas (VIII)

http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_de_Stirling

termodinámica y máquinas térmicas - ocw.unican.es 05... · tema 05. ciclos de potencia...

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