u02 tm termicas

7/23/2019 U02 TM Termicas

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TURBOMAQUINAS Y LABORATORIO

ILM - 322

Unidad 2: Turbomáquinas térmicas

Dr.-Ing. Miriam Roth



0. Introducción1. Turbomáquinas hidráulicas2. Turbomáquinas térmicas3. Repaso de Termodinámica. Leyes Fundamentales

4. Repaso de Termodinámica. Gases Ideales.5. Números Adimensionales6. Teoría unidimensional de etapas7. Aplicación en bombas y compresores8. Aplicación en turbinas

9. Repaso general10. Selección y puntos de trabajo de TM11. Fenómenos de operación en TM12. Control y seguridad en TM

Unidades

ILM 322 Turbomáquinas Prof.: Dr.-Ing. Miriam Roth slide: 2



• Transforman Etérmica (dh) => Emec

• Cumplen ec. Euler

• Flujo compresible

1. Turbinas a vapor

2. Turbinas a gas3. Compresores

IntroducciónTurbomáquinas térmicas




Trabajo específico: diferencia deentalpía total siguiendo unproceso isentrópico

Y < 0 turbinas / Y > 0 compresores

• Vapor => tablas (h-s)

• Gas (ideal) => ley gases

• Rendimiento:

Introducción

= ∆ ℎ= ℎ ℎ +

2

2


H2O

η ≈∆ℎ

η ≈

∆ℎ



TURBINAS VAPOR




Rendimiento isentrópicoTurbina vapor

• Comparación entre los resultados de un sistema real frente a uno ideal bajo las mismas condiciones de op.

• Rendimiento isentrópico de una turbina:

h

s

p1

p2

T1

2s

1

2

h1-h2h1-h2S

η =ℎ ℎ

ℎ ℎ


η ≈∆ℎ



• Turbina vapor => máquina motora

• Fluido pasa a través rodete=> vapor

• Estado vapor: alta (HP), media(MP) y

baja presión(LP)

• Salida vapor: condensado,sobrecalentado (procesos)

Introducción

https://www.youtube.com/watch?v=MulWTBx3szc

https://www.youtube.com/watch?v=5kFOq9_10kc




• Más de 25% de Eeli mundial es actualmenteproducida mediante TV

• Centrales: nucleares, térmicas (gas, carbón,

petróleo), biomasa, solar

• Centrales entregan vapor para procesos industrialeso cómo portador de calor (sistemas calefacción)

• Más pequeñas como accionamiento en industria decompresores, bombas o generadores.

Introducción




Clasificación Turbinas a vaporPor potencia

Pequeñas TV

TV industriales

TV centrales eléctricas

Modelos TV Siemens

http://www.energy.siemens.com/hq/en/fossil-power-generation/steam-turbines/


Potencia MW



• Acción: sólo Δh en álabesdirectrices (toberas)

Clasificación Turbinas a vaporPrincipio trabajo


• Reacción: Δh en álabes

fijos y móviles



ILM 322 Turbomáquinas Prof.: Dr.-Ing. Miriam Roth

Corte cilíndrico en álabes deturbina axial

slide: 14

punta

eje

z

r

2 S

1 S

La z

r t

2 =

1

2



• Grado de reacción:

Gran caída de presión en TV => varias etapas

• Altas velocidades de rotación• Grado de reacción pequeño (acción

=0)=> menos etapas, pero sellos máscomplejos por alto dp si varias etapas

• Grado 0.5 significa álabes iguales => bajacosto, app. duplica etapas, pero simplificasellos entre etapas.

Grado de reacción

=∆ℎ

∆ℎ


0 < < 1

0 1 2 310bar4bar

10bar 8bar 6.5bar

4bar



TV acción TV reacción

Δp rodete = 0 Δp rodete ≈ 0.5

Todo Δp se transforma en álabesdirectrices en velocidad

Δp estator≈ 0.5 => menores costos (si son iguales P)

Altas vel y gran desviación=>pérdidas

Menores velocidades y desviación=> menores pérdidas

Bajas pérdidas volumétricas,sellos eje menor área

Mayores pérdidas vol. => sellos ejecostosos => mayor área

Mayores Δh por etapa => menosetapas para mismo Δp (peromayor tamaño por diafragmas)

Más etapas => mayor dimensiónaxial => sellos entre etapas mássimples

Bajas F axial => menores costos Mayores F axial => disco/émbolo decompensación / doble flujo

Comparaciónen etapa simple




Clasificación Turbinas a vapor

• Etapa simple


1. tobera

2. rodete curtis (2-C)3. eje4. rodamiento5. regulación velocidad6. válvula regulación





• Etapa simple

slide: 18




• Multietapas




Tipo cámara Tipo tambor

Clasificación Turbinas a vaporConstrucción

• baja rigidez a la flexión

• principialmente en pocas etapas(TV acción)

• sellos menor superficie ↓ pérdidas vol

• ↑ pérdidas en RSR

• mayor rigidez rotor (a altas velocidadesmenores espacios)

• principialmente en varias etapas(reacción)

• ↑ pérdidas volumétricas (eje mucha

superficie)




Etapas combinadas




Clasificación


• Multiflujo

• En un eje

slide: 22



Tipos de TV axiales


Laval Curtis Zoelly Parson

slide: 23



• de contrapresión : aplicaciones de vapor en procesos.

– p de salida es controlada por una válvula reguladora para satisfacer las necesidades depresión en el vapor del proceso.

– comúnmente en refinerías, plantas de papel/pulpa y en instalaciones de desalinización,donde se dispone de grandes cantidades de vapor de proceso a baja presión.

• de condensación: plantas de potencia eléctrica. – expelen vapor en estado parcialmente saturado, generalmente con un título de vapor

mayor al 90 % y p bastante inferior a la atmosférica hacia un condensador.

• de recalentamiento: plantas de potencia eléctrica.

– el flujo de vapor sale de una sección a alta presión de la turbina y es regresado a la

caldera donde se le vuelve a sobrecalentar. El vapor entonces regresa a una sección depresión intermedia de la turbina y continúa su expansión.

• de extracción : todo tipo de aplicaciones.

– el vapor es liberado en diversas etapas y aprovechado en distintos procesos industriales,también puede ser enviado a calentadores de agua para mejorar la eficiencia del ciclo.


Clasificación turbinas vaporSegún salida vapor

slide: 24



• Centrales térmicas: 3000, 3600rpm => vapor SC

– P producido por altos Δh

• Centrales nucleares: 1500, 1800rpm => vapor sat.

– Mayores potencias por altos => varias turbinas (HP, LP)

Parámetros funcionamientoCentrales térmicas vapor





Regulación TV

slide: 27

Turbinas acción:

• Grupos de toberas (on/off)

• no afecta rendimiento mayormente

Turbinas reacción:

• Utilizar una etapa de acción para regular

• Estrangular flujo másico llegada

=> cambia el rendimiento (si n=cte)

Cambio de presión => (dh isentrópico):

• presión fija => válvulaestrangulación a la entrada

• Variación combustible y presión

de bomba

PT = ηT m Y



7.1.2

Central térmica de 600MW con turbinas de condensación




• Condiciones salida fijas por T°ambiente/enfriamiento

• Aumentar presión y temperatura entrada =>materiales (650°C y 350bar)

• Sobrecalentamiento intermedio => baja la

humedad (no debe ser mayor a 5%)• Aumento flujo másico => ↑ diámetro salida

=> fuerzas sobre álabes. Largo de álabeslimitado por fuerza centrífuga – 1200mm para 3000rpm; 1450mm para 1500rpm

– máx flujo estimado 1500m3/s en un flujo.

• Dimensiones y peso (transporte)

• Acoples

Posibilidad aumento eficienciaLímites


= η



• Grandes fuerzas en base deálabes

• Posible condensación enúltimas etapas => erosión

condensador

• Vibraciones

Problemas




• Anillos de grafito/carbón – más económicos – menor vida útil

• Laberintos – no se tocan, no hay desgaste ni se

calientan – costosos, difícil fabricación, buena

precisión – altas revoluciones


Sellos

slide: 31



Central térmica de vapor

Proporcionaenergía paraevaporar agua

Conversióncalor=> trabajo Conversión energía

mecánica a eléctrica

Condensaciónfluido. Entregaenergía a laatmósfera




• Turbina vapor unida agenerador => genera Eeli enuna central a vapor => cicloTD Clausius-Rankine (ideal)

Centrales de vapor

1. Bomba: dp isentrópico (líquido)

2. Caldera: agrega Q p. isobárico => vapor sat o sc

3. Turbina: exp isentrópica (campana)

4. Condensador: quita Q p. isobárico.




IntroducciónBombas




Introducción:Calderas de vapor




Introducción :Turbina de vapor

Fuente: Siemens Turbina vapor SST-600Hasta 100MW




TV Alta presión (HP)




TV Media presión (MP)




TV Baja presión (LP)




IntroducciónCondensadores




IntroducciónTorre enfriamiento




IntroducciónRendimiento térmico central

Rendimiento térmico: cantidad energíarecibida por el fluido de trabajo en lacaldera que se convierte en trabajo netoproducido.

=

= 1 ℎ

4 ℎ

ℎ ℎ

=

=

=(ℎ ℎ4) ( ℎ ℎ)

ℎ ℎ

=(ℎ ℎ) ( ℎ4 ℎ)

ℎ ℎ

inm

out m

in

out inth

T

T

Q

QQ

,

,1=

=




• Rendimiento caldera: CA

(0.8 a 0.9)

• Rendimiento isentrópico turbina: Tu

(0.7 a 0.9)

• Rendimiento generador: G (app. 0.98)

• Pérdidas calor: (app. 1 %)

• Consumo eléctrico bombas: P b /P

el (5 a 10 %)


RendimientoCentral térmica

slide: 44

=

el

b

in

V

GTuCAthtot P P

QQ 11

inV QQ



¿Cómo mejorar rendimiento?

• Aumentar tempertura vapor

entrada (refrigeración aletas)

• Bajar presiones condensador

• Precalentar agua abastecimiento

caldera

• Recalentamiento vapor


RendimientoCentral térmica

slide: 45



1. Determine la relación entre volumen de salida al volumen de entrada delvapor en una turbina que expande de p=150 bar y 530°C hastap=0.05bar y x=0.9.

2. Determine el rendimiento (∆ℎy ∆ℎ => diagrama)

3. Calcule el caudal en la última etapa de una TV que deja en estascondiciones (p=0.05 bar y x=0.9 ) la turbina. Considere n=3000rpm.

– Nota: la relación

no debe ser menor a 3.2 (el álabe se hace muy pesado y la

separación entre álabes muy grande=> baja eficiencia)

– Además considere: , = 350/ y velocidad salida c=200m/s

4. Calcule el largo del álabe para la primera etapa (p=150 bar y 530°C)considerando u=180m/s y c=50m/s y compárelo con el de la últimaetapa.


Ejercicio TV

slide: 46



TURBINAS GAS




• Primeras TG hace ap. 70 años• Desarrollo militar aeronaves

– posibilita mayores alturas y velocidades

• Avances – mayores P en compresor

– materiales resistentes a altas T°

– refrigeración álabes – aumentar T° entrada (1250°C)

– relación de presiones (25)


IntroducciónHistoria

slide: 51



• Máquina térmica motora con cicloparecido a TV, pero: – Presiones trabajo menores – Temperaturas trabajo mayores – Menor trabajo específico – Menores número etapas

IntroducciónComparación TG y TV

Turbina gas Turbina vapor

Presión trabajo < 25 bar < 250 bar

Temperatura trabajo < 1200 °C < 550 °C

Presión salida ≥ 1 bar > 0.02 bar

Temperatura salida > 400 °C > 20 °C

Diferencia calor 500 kJ/kg 1500 kJ/kg

Etapas 4 a 8 20 a 40




• Ciclo de TG parecido a TV, pero: – Bomba => compresor (300 más E para = Δp)

– Caldera => cámara combustión

– Turbina vapor => turbina gas

– Condensador => enfriador

IntroducciónComparación TG y TV




• Ciclo abierto

• Ciclo cerrado

IntroducciónCiclo ideal de Joule-Brayton


Procesos:• (1-2) compresión adiabática reversible.

• (2-3) Calentamiento isobárico.

• (3-4) Expansión adiabática reversible.

• (4-1) Enfriamiento isobárico.



• La eficiencia de un ciclo estándar Joule-Brayton con aire,depende sólo de la relación de presiones (rp) en el procesoisentrópico.


Ciclo ideal de J.-Brayton:Eficiencia térmica

slide: 55

3

T

s

4

1

2

2’

3’

Límite rp => T° x razones metalúrgicas entrada turbina

η = 1 1

−

Tmax

Proceso real => politrópico



• Bajo peso por kW de P

• Bajo tamaño por kW de P

• Demanda baja o nula de agua de refrigeración

• Encendido rápido

• Fácil regulación y automatización proceso

• Poco personal operación• Bajo consumo lubricación


Ventajas TGv/s TV y combustión

slide: 56



• Generación electricidad – Pmax ≈ 400MW

• Accionamiento bombas y compresores

industria – Pmax ≈ 60 MW

• Propulsión trenes, autos y barcos

• Propulsión aeronaves

– empuje 200 ≈ kN

Aplicaciones




• Micro-TG => hasta 200kW (remplazo motores) η≈30%• TG liviana (aeronaves)

– Requisito: bajo peso – Potencias: 500 – 40.000 kW

• TG industriales y aero-derivative – Potencias: 500 – 100.000 kW

• TG pesadas η≈40% – Requisito : carga continua – Potencias: 100 – 400 MW

• TG cerradas (máquina motora térmica) – Fluido trabajo no entra a cámara combustión (ciclo con toma

y entrega calor)• TG abiertas (máquina motora a combustión)

– Fluido trabajo es el combustible (no es un ciclo)

• Cantidad de ejes (mismas rev. o diferentes)


Clasificación

slide: 58




EjemploTG generación electricidad

slide: 59

http://www.energy.siemens.com/hq/en/fossil-power-generation/gas-turbines/



Grandes TG industriales: un eje, rev. iguales turbina y compresor, bajo costo,vida útil alta, ciclo combinado, potencia carga punta• Siemens Power Generation, Alstom Power, General Electric, Mitsubishi

TG industriales medianas:

• Siemens Power Generation, Alstom Power, General Electric, Rolls Royce,Pratt & Wittney, Hitachi, MAN Turbo, Solar Turbines (Caterpillar), Kawasaki

Turbinas avión: multieje, compresor tiene turbina propia, turbinas reacción(sólo propulsión)• General Electric, Rolls Royce, Pratt&Wittney, Japanese AeroEngines, MTU

Microturbinas: 25-100 kW• Capstone, Turbec, Elliot, Ingersoll-Rand


Fabricantes TG

slide: 60



• Más flexibles• Rápida operación

• Mayores rangos

• Ciclo combinado – Turbina gas y

vapor =>aumentaeficiencia planta(55%)

AplicacionesCiclo combinado generación eli




AplicacionesGeneración Eli


l



AplicacionesIndustriales


https://www.youtube.com/watch?v=3f3TI0WpJCs&feature=youtu.be

https://www.youtube.com/watch?v=GF-70yncAVY

li i



AplicacionesAutos y barcos (turbo)


A li i



AplicacionesPropulsión aeronaves

Curso: Termofluidos Semestre: 2-2014 Prof: M.Roth Slide: 65

• Estatoreactor: – Simple

– Altas vel.

• Turboprop:

– Empuje => hélice

– Hasta 600km/h



• Descripción: – Fluido no entra en contacto con cámara

combustión

• Ventajas: – Álabes limpios (sin gases escape, sin

corrosión) – Tipos de combustibles (pesados, máseconómicos)

– Regulación potencia (psist=> , buen η bajoscaudales

– presiones operación altas => dimensiones

pequeñas => mayores P – Ej. He alto cp => disminuir interc. calor

• Desventajas: – más componentes – grandes cantidades agua refrigeración

Ciclo cerrado





Componentes

slide: 69

C t



• Aumentan la presión de aire para lacombustión

• Tipos:

– Axial (varias etapas)=> rotor aumenta p y vel;estator aumenta p y baja vel

– Radial (turbo)


ComponentesCompresor

slide: 70

C t



• Eficiencia app 94 a 98%

• Estadía combustible app 10ms

• Pérdida presión app 3-8%

• Tipos:

– tubulares

– anulares

– tuboanulares


ComponentesCámara de combustión

slide: 71

C t



• Tubular (can): – simplicidad, su fácil diseño y su fácil

acceso – son grandes y pesadas (estáticas)

• Anulares: – principalmente en turbinas de

aviación

– más aerodinámica – requieren menos aire de

refrigeración – dificultoso mantenimiento – distribución de T no uniforme

• Tuboanulares: – grupos de cámaras tubulares que se

montan en el interior de un cilindro – combina virtudes=> robustez detubulares y compacidad de anulares.

– seis y diez cámaras – flujo de gases en estos equipos es

más estable


ComponentesCámara de combustión

slide: 72



• Turbina: – Construcción de materiales termo resistentes

(superaleaciones a base de Níquel, Cobalto, Cromo,

Acero) – Revestimientos cerámicos (altas T)

– Doble carcaza (interior => guía y soporta gasescalientes; externa soporta fuerzas de presión)

– Aire para enfriar (entre carcazas y perforacionesálabes)

– Para evitar oscilaciones de álabes muy largos se unen

Componentes ciclo TG


Componentes



ComponentesÁlabes directrices (Turbo)




Refrigeración TG

Nickel-Turbinenschaufeln aus der Hochdruckturbinen-Komponenteeines Rolls-Royce Trent Triebwerks


https://de.wikipedia.org/wiki/Rolls-Royce_Trent







Refrigeración TG

slide: 76

η

sin refrigeración1200°C => 40%

1200°C => 30%Sellos => laberinto

Descansos:• Rodamientos pequeñas• Bujes lubricados grandes

Ejemplo



Siemens turbina SGT-800

Datos técnicos:

• Potencia salida: 47,5MW

• Combustible: Gas natural• Frequencia: 50 / 60 Hz• Rendimiento eléctrico: 37,7 %• Consumo calor: 9.547 kJ/kWh• Revoluciones turbina: 6.608 U/min• Relación compresión compresor: 20,1:1• Flujo másico / temperatura gases escape: 132,8 kg/s / 541 °C• Emisiones NOx: ≤ 15 ppmV


EjemploCaracterísticas TG

slide: 77

http://www.energy.siemens.com/hq/en/fossil-power-generation/gas-turbines/sgt-800.htm#content=Technical%20data

15 etapas compresión

3 etapas expansión

Ejemplo




EjemploPlanta generadora eli con TG

slide: 78



COMPRESORES


Introducción



• Máquina de fluido generadoras => aportan energía alfluido

• Según relación de presiones :

– ventiladores : 1 < π < 1,1 => una etapa / axial

– sopladores: 1,1 < π < 3 => una (pocas)etapas/radial y axial

– compresores : 3 < π => varias etapas radial /múltiples etapas axial


IntroducciónTM térmicas generadoras

slide: 80

=



• Ventiladores => Baja p «fan»

• Sopladores => media p 0.5 a 1bar «blower»

• Compresores => alta p (varias etapas) = «compressor»

– Alternativos

– Rotatorios

– Centrífugos

– Axiales

Clasificación

Caudal




• Aumentan presión fluido compresible(gas)

• Tipos:

– Radiales: hasta 600bar y 60m3/s

– Axiales: hasta 50bar y flujos 300m3

/s• Unidades pequeñas (baja P y flujo)

compresores radiales

• Si relación de presiones sobre 4 =>axial de varias etapas

• Rendimiento axiales es mayor,tamaño menor para igual dp

• Salida compresor difusor (transformaenergía cinética en presión)

Compresores


radialesrefrigerados

radiales norefrigerados

axial

Compresores



CompresoresClasificación




• Rendimientos 0.6 a 0.7• Rodete – difusor• Rodete:

– abierto

– cerrado – semiabierto de aspiración simple – semiabierto de aspiración doble

• Álabes:

– Curvados hacia atrás – Radiales o rectos – Curvados hacia delante

Compresores centrífugos




• Difusor => recuperar Ekin

• Caja espiral => coronadirectriz y/o difusor

• Difusores sin álabes =>menor rendimiento, perovaría menos con flujo

• Difusor con álabesgeometría variable =>bueno, pero complicado

Compresores centrífugos




• Caudales muy grandes(500000 m3/h)

• Flujo axial dirección eje• Cap mínima 15m3/s

• Émbolo de compensaciónempuje axial• Velocidades más elevadas que

centrífugos (+25%)

• Aplicaciones=> caudales altosy constantes (hornos,turbofan, etc)

Compresores axiales

u02 tm termicas

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