Ciclos termicos 04

8/20/2019 Ciclos termicos 04

1/64

!"#$ &'( )*+,-. /" 0-1"2+*$

!"3#-/*24#*+$ 5 6478*2$. !93#*+$.

!"#$%&'$($ *+,"-"(+. /0+12

3+4+,0$"2 *5 67,+. 8+#+9$'

:$,'29 ;5 8+"+(2 $"+.

:0!;( :?=


2/64

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 abordanlos 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 simulaciónpor ordenador de ciclos termodinámicos de potencia

TERMODINÁMICA Y MÁQUINAS TÉRMICAS


3/64

3

1.- Introducción2.- Ciclos de Vapor2.1.- Ciclo de Carnot2.2.- Ciclo Rankine

2.3.- Ciclo Rankine con recalentamiento2.4.- Ciclo Rankine con regeneración

2.5.- 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 estándar

3.3.- Ciclo de Carnot3.4.- Ciclo Otto

3.5.- Ciclo Diesel3.6.- Ciclo Dual

3.7.- Ciclos Ericson y Stirling

3.8.- Ciclo Brayton

3.9.- Ciclo Brayton regenerativo3.10.-Ciclo Brayton con recalentamiento3.11.- Ciclo Brayton regenerativo con recalentamiento y refrigeración

4.- Máquinas Térmicas4.1.- Turbinas de vapor

4.2.- Motores de combustión

4.3.- Turbinas de gas4.4.- Motor Stirling

T 05.- CICLOS DE POTENCIA


4/64

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, T FC

• Se obtiene trabajo útil, W

•

Se cede calor residual QFF, a un foco a baja temperatura, T FF(aire ambiente, o agua de mar, de un río, …)

Se cumple la condición de equilibrio de la energía:


1.- Introducción (I)

[T2] Sist. Ab.


5/64

5


2.- Ciclos de vapor (I)

Turbina

Condensador

Bomba

Caldera

Qc

3

4

2

1

WB

Chimenea

Humos

Combustible

Aire

Generador

B.

Torre deRefrigeración

Vapor deagua

Identificaciónde puntos

Turbina

CondensadorBomba

Caldera

Qc

QF

3

4

2

1

WT

WB


6/64

6


2.- Ciclos de vapor (II)

Identificación

de puntos

Por unidad

de masa

Turbina

CondensadorBomba

Caldera

Qc

QF

3

4

2

1

WT

WB


7/64

7

Dos ciclos termodinámicos básicos de vapor, el ciclo de Carnot (ideal), y

el ciclo de Rankine (real), que tiene diferentes variantes

Es el idealLimitado 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

14

TC

TF

S3 S1

TC

TF


8/64

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 sevaporiza 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

14

TC

TF

S3 S1

TC

TF


9/64

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 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


10/64

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

CondensadorBomba

Caldera

Qc

QF

a

34

2´

1´

WT

WB

Ciclo de Carnot Ciclo de Rankine evitandovapor en la bomba

Ciclo de Rankine evitandovapor en la turbina (teórico)

3 2

T

s

14

p2

p1

3 2

T

s

1a

p2

p1

4

3 2

T

s

14

p2

p1

3

4

1´

2´

T

s

a 1

2

p1

p2


11/64

11

Para evitar líquido en la turbina, se aumenta la T

de entrada, sobrecalentamiento

El aumento de T max del ciclo (T 1´> T 1) !"

Para que (T 1’= T 1) 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


12/64

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

p110p10

20

3

4

1

2

T

s

a

p110

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 T max de la caldera, limitada por los

materiales, del orden de 600ºC

• evitar trabajar en la zona de vapor saturado

• considerar la T min 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


13/64

13

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

p110p10

20


2.- Ciclos de vapor (VI)

2.2.- Ciclo Rankine (III)

p caldera

T caldera

T salida Turbina

X

!X

!X


14/64

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 ", ya que también ! QFC


2.- Ciclos de vapor (VIII)

2.3.- Ciclo Rankine con recalentamiento

5

6

3

4

T

s

a

p31

p1

2

Pto 2 en zonade 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


15/64

15

Para "Q1 se puede precalentar el agua que

entra 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 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 +TBT.A.

32

[1-y][y]

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

2


16/64

16


2.- Ciclos de vapor (X)

2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (II)

3

T

s

p31

p1

2

4

5

6

7

8

p5p7

p9

TSat Caldera

TSat Cond

TSat Sang 1

TSat Sang 3

TSat Sang 2


17/64

17


2.- Ciclos de vapor (XI)

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

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


18/64

18


2.- Ciclos de vapor (XII)

2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (IV)

Ec. Masa(Prop agua)

Ec. Energía(Prop agua)

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.


19/64

19


2.- Ciclos de vapor (XIII)

2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (V)

Ec. Masa(Prop agua)


T.B.

Condensador

Caldera

QC

QFF

56

4

1

WTA +TB

T.A.

3

2[1] [1-y]

[y]

Bomba

W B

7

Int. calor

Calentador

cerrado4

5

3

T

s

p2

1p1

26

7

[1]

[1-y]

[y]

8

8Purgador[y]


20/64

20


2.- Ciclos de vapor (XIV)

2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (VI)

Ec. Masa(Prop agua)


[1]

56

[1]

[y] [msv]

[malim]

2

Calentador

cerrado

[y] [msv]7

[malim]

4

5

3

T

s

p2

1p1

26

7

[1]

[1-y]

[y]


21/64

21

El ciclo con regeneración #", 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

1p1

2

7

8

[1]

[1-y]

[y]7

6

82

23

1

7

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]


22/64

22

En los ciclos vistos hasta ahora, la mayor parte

de 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 T vapor = T humos 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 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


23/64

23

Los ciclos reales tienen pérdidas, debidas

a enfriamientos, pérdidas de carga enconductos, 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 suministr

e

n el rendimiento de la planta térmica …, por ello el ! de los ciclos ronda el 35%


2.- Ciclos de vapor (XVII)

2.7.- Pérdidas en el Ciclo Rankine

Este efecto "$, pero reduce laposibilidad de encontrar aguaen la turbina

4

3

T

s

a

p2

1p1

22s

4s


24/64

24

Comprimen, mediante el empleo de un trabajo exterior, un gas, (aire, o mezcla)

Elevan su temperaturaEl 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.)

"# 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


25/64

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

23

s3s1 (Q=0)

p2

p1

2´

T(Q


26/64

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

p1p2b

4 1

p

v

23

s3s1 (Q=0)

p2

p1

Ref.

2a2b

2c

T1$

Comp.2

1

WCp1 +Cp2

Comp.1.

42 3

Refrigerador

QFF


27/64

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)


28/64

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


29/64

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, (V 2 y V 1)

• 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

3v2

v1

PMS PMI

4

1

p

v

2

3

s3

s1

PMS PMI


30/64

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 T FC

• 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 T FF • 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]

41

23

s

T

QFF

QFC4

1

2

3

v

p

QFF

QFCs1

s3

T1

T2


31/64

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 lapresión 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

vPMS PMI

4

1

2

3

s3

s1 QFF

QFC

4

1

T

s

2a 3v2

v1

PMS PMI QFF

QFC

v2a

2

3a


32/64

32


3.- Ciclos de gas (IX)

3.4.- Ciclo Otto (II)

En el ciclo Otto, al #r cmp #"

Si #T3 y V3, "#, la isóbara y la

isócora divergen;

(QFC# pero W ##)

s

T

v = cte

p = cte

[T4]

p

vPMS PMI

4

1

2

3

s3

s1 QFF

QFC

4

1

T

s

2a 3v2

v1

PMS PMI QFF

QFC

v2a

2

3a


33/64

33

Si r cmp 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

vPMS PMI

4

1

2 3

s3

s1 QFF

QFC

4

1

T

s

2

p2

v1

PMS PMI

3a3

4a

QFF


34/64

34


3.- Ciclos de gas (XI)

3.5.- Ciclo Diesel (II)

En el ciclo Diesel, al #r cmp #" (al igual que en el ciclo Otto)

Para una r cmp "Otto > "Diesel

En la práctica r cmp Diesel > r cmp 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

PMS PMI

3a3

4a

QFF


35/64

35


3.- Ciclos de gas (XII)

3.5.- Ciclo Diesel (III)

En el ciclo Diesel:

• al #r cmp #"

• al #r crt !"

p

vPMS PMI

4

1

2 3

s3

s1 QFF

QFC

4

1

T

s

2

p2

v1

PMS PMI

3a3

4a

QFF

T


36/64

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

vPMS PMI

5

1

2

4

s4

s1 QFF

QFC2

QFC1

3

s

v cte

p cte

[T4]T

1

T

s

2

p3

v1

PMS PMI

43

5

QFF

v2


37/64

37

En el ciclo Otto r crt = 1

En el ciclo Diesel r p = 1


3.- Ciclos de gas (XIV)

3.6.- Ciclo Dual (II)

p

vPMS PMI

5

1

2

4

s4

s1

3

% 4 carreras / 4 tiempos &

p

vPMS PMI

W > 0

Ciclo real

W < 0Escape

Admisión


38/64

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, " = " 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

Q F C

3

Q F F

4

1

T

s2

v2

v1

Q F C

3

Q F F

p1

p

v

4

1

2

3T3

T1

T.G.

1

WCp

Comp.

42 3

Regenerador

WTG

QReg


39/64

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.

42 3

Q F F

WTG

Cámara deCombustión

Aire

Gases de

escape

1 4

2 3

Q F F

WTG

Inter. Calor 1

Q F C

I.C.2

T.G.Comp.

Combustión externa


40/64

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.

42 3

Q F F

WTG

Cám. Comb.

Aire

Gases deescape

1 4

2 3

Q F F

WTG

Inter. Calor 1

Q F C

I.C.2

T.G.Comp.

p

v

41

2 3

s3s1

QFF

QFC

4

1

T

s

2 p2

p1

QFC 3

QFF

2a

3a


41/64

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.

42 3

Q F F

WTG

Cám. Comb.

Aire

Gases deescape

1 4

2 3

Q F F

WTG

Inter. Calor 1

Q F C

I.C.2

T.G.Comp.


42/64

42


3.- Ciclos de gas (XIX)

3.8.- Ciclo Brayton (IV)

T.G.

1

Comp.

42 3

Q F F

WTG

Cám. Comb.

Aire

Gases deescape

1 4

2 3

Q F F

WTG

Inter. Calor 1

Q F C

I.C.2

T.G.Comp.


43/64

43


3.- Ciclos de gas (XX)

3.8.- Ciclo Brayton (III)

s no cte $ "" aprox.15%

T.G.

1

Comp.

42 3

Q F F

WTG

Cám. Comb.

Aire

Gases deescape

1 4

2 3

Q F F

WTG

Inter. Calor 1

Q F C

I.C.2

T.G.Comp.

4

1

T

s

p2

p1

QFC

QFF

23

4

1

T

s

p2

p1

QFC

QFF

2s

3

2

4s

Sólo se considera

s K cte

1


44/64

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 CámaraComb.

3

QFF

WTG

Q F C

T.G.

Comp.

X

Y

4

1

T

s

2

p2

p1

QFC

3

QFF

p

v4

1

2 3

s3s1

QFF

QFCX

Y

X Y

QReg

QReg

Ideal: T Y=T2

Ideal: TX=T4

1


45/64

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 CámaraComb.

3

QFF

WTG

Q F C

T.G.

Comp.

X

Y

4

1

T

s

2

p2

p1

QFC

3

QFF

X YQReg

Ideal: T Y=T2

Ideal: TX=T4Real:

Ideal:

p

v

41

2 3

s3s1

QFF

QFCX

Y

QReg

v

p S cte

T cte

T4

T2

Ideal: T Y=T2

Ideal: TX=T4


46/64

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

v41

2 3

s3s1

QFF

QFC

X

Y

X YQRegQReg


47/64

47

"BReg" al !r p


3.- Ciclos de gas (XXIII)

3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (III)4

1

T

s

2

p2

p1

QFC 3

QFF

p

v41

2 3

s3s1

QFF

QFC

X

Y

X YQRegQReg


48/64

48

Para r p bajas "BReg> "B

Para r p altas "BReg < "B

"B! al !r p

"BReg" al !r p

En el regenerador no se pueden igualar las Tas


3.- Ciclos de gas (XXIV)

3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (IV)


49/64

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

Q F C 1

3

Q F F

X

Y

pX=p Y

Q F C 21

4

2

Cám.Comb.

3

QFF

WTG

Q F C 1

T.G.1

Comp.

X Y

T.G.2

Q F C 2

Cám.Rec.


50/64

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

Q F C 1 5

Q F F 1

6

7

p2=p3 =p6=p7 Q

F C 2

4

Q F F 2

X

Y2

QReg

1

84

Cp.2

5

Q

F F

WTG

Q F C 1

6 7

T.G.2

Q F C 2

Cám.Rec.

Cám.Comb.

Refrig.

Cp.1 T.G.1

Int.Calor

2 3

X

YQFF

81


51/64

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

Q F C 1 5

Q F F 1

6

7

p2=p3 =p6=p7 Q

F C 2

4

Q F F 2

X

Y2

QReg

1

84

Cp.2

5

Q

F F

WTG

Q F C 1

6 7

T.G.2

Q F C 2

Cám.Rec.

Cám.Comb.

Refrig.

Cp.1 T.G.1

Int.Calor

2 3

X

YQFF

81

T

s

p2

p1

Q F C 1

Q F F 1

p2=p3 =p6=p7

Q F C 2

Q F F 2

QReg

4s

6s

X

Y

3

57

1

2

6 8

4

8s

2s


52/64

52


4.- Máquinas Térmicas (I)

MÁQUINASDE FLUIDO

MÁQUINASHIDRÁULICAS

MÁQUINASTÉRMICAS

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 devapor)

GENERADORAS(compresores volumétricos)

MOTORAS(motores de combustióninterna alternativos Otto,

Diésel, motor Stirling)


53/64

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


54/64

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 seextrae a p > patm, el vapor tras su paso por

la turbina tiene un aprovechamiento

•

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

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


55/64

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


56/64

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

PresiónVelocidad

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

T R T R T R T


57/64

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

•

Compensadorhttp://dim.usal.es/eps/mmt/?paged=3


58/64

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 dela transmisión


59/64

59


4.- Máquinas Térmicas (IV)

4.2.- 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


60/64

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 salidade gases (se puede extraer el calor)

Los gases están a T % 400ºC, en una caldera se

puede producir vapor o agua calientede 0,45 kWth por cada kWeje

De la refrigeración de las camisas se puede

obtener agua caliente a T % 80 a 90ºCde 0,5 a 0,8 kWth por cada kWeje

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


61/64

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


62/64

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 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


63/64

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 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 sufuncionamiento P

o t e n c i a E l é

c t r i c a ( k W )

Tª ambiente (ºC) 400 30101.500

2.000

2.500

Tª ambiente (ºC)

T ª G a s e s E s c a p e ( º C

)

400 3010500

550

600

Tª ambiente (ºC) 400 3010 C a

u d a l G a s e s E s c a p e ( t / h )

25

30

35


64/64

4.4.- Motor Stirling (I)


4.- Máquinas Térmicas (VIII)

Documents

Ciclos termicos 04