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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS 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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
TurbinaBombaTurbina WWWW
FCqM
wM
41
3421
hh
)hh()hh(
41
21
hh
)hh(
FC
FF
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
En una planta de potencia de vapor de agua que funcione entre laspresiones de 10 kPa y 4 MPa con una temperatura máxima de 400ºC.¿Cual es el máximo rendimiento de ese ciclo?
1
23
4
T
s
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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.¿Cual es el máximo rendimiento de ese ciclo?
1
23
4
T
s
T5.- CICLOS DE POTENCIA
En una planta de potencia de vapor de agua que funcione entre laspresiones de 4 kPa y 2 MPa con una temperatura máxima de 400ºC.¿Cual es el máximo rendimiento de ese ciclo?
1
23
4
T
s
T5.- CICLOS DE POTENCIA
En una planta de potencia de vapor de agua que funcione entre laspresiones de 4 kPa y 4 MPa con una temperatura máxima de 600ºC.¿Cual es el máximo rendimiento de ese ciclo?
1
23
4
T
s
1
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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.
T5.- CICLOS DE POTENCIA
ccsvsvlimalima mhmhmh
csv
climalimasv hh
hhmm
csvlima mmm 2.- Ciclos de vapor (XIII)
2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (V)
Ec. Masa(Prop agua)
Ec. Energía(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]
T5.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (XIV)
2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (VI)
72sv56lima hhmhhm
Ec. Masa(Prop agua)
Ec. Energía(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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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):
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
)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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
/)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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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.
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
Caldera de recuperación
QF
9
6
8
7
WTV
WB
QF
5
Gases de escape
QF
F
Aire
WTMACI
QFC
T5.- CICLOS DE POTENCIA
T.V.
Condensador
Bomba
Caldera de recuperación
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)
T5.- CICLOS DE POTENCIA
Cen
tral
Tér
mic
a de
Cic
lo C
ombi
nado
(II)
Arr
ubal
, La
Rio
ja (
2 x
400
MW
)
T5.- CICLOS DE POTENCIA
Central Térmica de Ciclo Combinado (III)Arrubal, La Rioja (2 x 400 MW)
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
Caldera de recuperación
QF
9
6
8
7
WTV
WB
QF
5
QF
F
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
Caldera de recuperación
QF
9
6
8
7
WTV
WB
QF
5
QF
F
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
Caldera de recuperación
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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)
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
T.V.
Cond.
Caldera
QComb
Ch
imen
ea
Generador
Torre de Ref.
5.- Cogeneración (II)
Centrales de extracciónC
om
bu
stib
le
Pérdidas de Caloren la Envolvente
B1
B2B.
B.
QUtil
Central eléctricaconvencional
T5.- CICLOS DE POTENCIA
Ext
racc
ión
de
Vap
or
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
Cogeneración
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
Pérdidas de Caloren la Envolvente
BB.
UtilizaciónTérmica
QUtil
Cogeneración
T5.- CICLOS DE POTENCIA
5.- Cogeneración (IV)
Motores diesel
Caldera de
Recuperación
QComb Elect.Generador
UtilizaciónTérmica
QUtil
Motor Diesel
QE
scap
e
Turbinade Aire
Ref. AguaRef. Aceite
B
T5.- CICLOS DE POTENCIA
5.- Cogeneración (IV)
Motores diesel
Caldera de
Recuperación
QComb Elect.Generador
UtilizaciónTérmica
QUtil
Motor Diesel
QE
scap
e
Turbinade Aire Compresor
Ref. AguaRef. Aceite
BCooler
T5.- CICLOS DE POTENCIA
5.- Cogeneración (V)
Turbinas de gas
Caldera de
Recuperación
Elect.Generador
UtilizaciónTérmica
QUtil
QE
scap
e
T.G. Comp.
B
CombustorAuxiliar
Combustor
G.N.
T5.- CICLOS DE POTENCIA
5.- Cogeneración (VI)
Centrales de ciclo combinado
Caldera de
Recuperación
Gen. 1
UtilizaciónTérmica
QE
scap
e
T.G. Comp.
CombustorAuxiliar
Combustor
G.N.
T.V. Gen. 2
Cond.
B1
B2
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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)
T5.- CICLOS DE POTENCIA
6.- Máquinas Térmicas (IX)
6.4.- Motor Stirling (II)
Expande el aire
Contrae el aire
Calor
Frío
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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
T5.- CICLOS DE POTENCIA
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:
T5.- CICLOS DE POTENCIA
6.- Máquinas Térmicas (XIII)
6.4.- Motor Stirling (VI) http://www2.ubu.es/ingelec/maqmot/
Programa de simulación del funcionamiento de
una Máquina Stirling