MÁQUINAS HIDRÁULICAS Y TÉRMICAS TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS

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1 1. LA MÁQUINA TÉRMICA MÁQUINA DE FLUIDO: Es el conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía mecánica con el exterior, generalmente a través de un eje, por variación de la energía disponible en el fluido que atraviesa la máquina. MÁQUINA MOTORA: disminuye la energía del fluido MÁQUINA GENERADORA: aumenta la energía del fluido Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 1

2 MAQUINA DE FLUIDO MÁQUINAS HIDRÁULICAS (fluidos incomp.) MÁQUINAS TERMICAS (fluidos compresibl.) MOTOR TÉRMICO: es el conjunto de elementos mecánicos que permite obtener energía mecánica a partir del estado térmico del fluido compresible que lo atraviesa, obtenido por un proceso de combustión tradicional o una reacción nuclear. 1. Sistema transformador de energía térmica en mecánica. 2. Estado térmico del fluido 3. Motores a reacción CONCEPTO MÁS AMPLIO QUE EL DE MÁQUINA TÉRMICA Máquina térmica Motor térmico EXTERNA (A) MOTORES TURBINAS: TG DE ROTATIVOS VOLUMÉTRICOS: WANKEL COMBUSTIÓN INTERNA (B) ALTERNATIVOS -- MEP Y MEC COHETES - QUÍMICOS REACCIÓN AERORREACTORES MOTORES VOLUMÉTRICOS: ALTERNATIVOS Y ROTATIVOS TURBOMÁQUINAS Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 2

3 MOTORES TÉRMICOS MOTORES DE COMBUSTIÓN EXTERNA FLUIDO CONDENSABLE FLUIDO NO CONDENSABLE ROTATIVOS ALTERNATIVOS MAQUINAS DE VAPOR REACCIÓN NO DESARROLLADO ROTATIVOS ALTERNATIVOS MOTOR DE AIRE CALIENTE REACCIÓN NO DESARROLLADOS TURBOMÁQUINAS TURBINAS DE VAPOR TURBOMÁQUINAS TURBINAS DE GAS CICLO CERRADO VOLUMÉTRICOS NO DESARROLLADOS VOLUMETRICOS NO DESARROLALDOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ROTATIVOS ALTERNATIVOS REACCIÓN TURBOMÁQUI- NAS TURBINAS DE GA VOLUMÉTRICO S MOTORES ROTATIVOS MEP GASOLINA, GLP MEC DIESEL COHETES AERORREACTO RES Propulsante líquido Sin compresor: - Estatorreactor - Pulsorreactor Propulsante sólido Con compresor -Turborreactor -Turbofán -Turbohélice Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 3

4 MOTOR WANKEL Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 4

5 2. DIAGRAMAS TERMODINAMICOS DEL VAPOR DIAGRAMA P-v DE UNA SUSTANCIA PURA T T=cte a b Q TdS DIAGRAMA T-s El calor cedido en cualquier proceso desde un punto a a otro P=cte punto b es el área bajo la curva. Debajo de la campana de saturación las isotermas coinciden con las isobaras existe una temperatura de condensaciónevaporación para cada presión (ej: 100ºC corresponde con 1 S atmosfera). Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 5

6 h Zona de gas ideal T h cp dt T=cte h=cte P=cte S DIAGRAMA h-s Para altas temperaturas cuando el vapor está sobrecalentado se comporta como un gas ideal. En esta zona el diagrama h-s es muy similar al T-S. T=cte El incremento de entalpía cuando se comprime un líquido es mucho menor que cuando se comprime en la fase gas. PRIMER PRINCIPIO DE LA TD PARA SISTEMAS ABIERTOS Q W m e h e Sistema abierto m s hs Q W du dt m s h s 2 cs 2 gz s m e h e 2 ce 2 gz e Sistema adiabático y estacionario (turbina) s W m h s e m Sistema sin transferencia de trabajo y estacionario (caldera) Q ms h Sistema adiabatico, estacionario y sin transferencia de trabajo varias entradas y salidas (intercambiador de calor) 0 s m h s h e e m h e s e m h e Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 6

7 3. CICLOS EN TURBINAS DE VAPOR CICLO RANKINE - Grandes potencias (1800 MW) o Baja potencia específica o Mala adaptación a cargas parciales o Tiempos de arranque largos - Desarrolladas a partir final siglo XIX o De Laval (1883) acción o Rarsons (1884) reacción o Normalmente axiales - Rendimientos limitados por la resistencia de los materiales o bar y 350ºC o Actualidad 250 bar y 540ºC Diseños especiales para centrales nucleares CALDERA HUMOS 2 3 GENERADOR ELÉCTRICO BOMBA COMBUSTIBLE TURBINA 1 CONDENSADOR 4 ENERGÍA TERMICA T mf 3 h Wt P=cte 2 Wb 1 Qu 4 S S Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 7

8 Un ciclo Rankine ideal consta cuatro etapas fundamentales: 1->2 Compresión del líquido en bomba 2->3 Calentamiento del líquido, evaporación del mismo y sobrecalentamiento del vapor en caldera. 3->4 Expansión del vapor en la turbina en un proceso idealmente adiabático e isoentrópico. 4->1 Condensación del vapor en intercambiador. Diagrama entrópico (TS) del vapor de agua Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 8

9 Diagrama de Mollier del vapor de agua Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 9

10 Ciclo de Carnot de un gas condensable Ciclo Rankine de un gas condensable Ciclo de Hirn (vapor recalentado) Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 10

11 RENDIMIENTO DE PROCESOS CÍCLICOS T a B A q a c q a calor absorbido q c calor cedido q c Conservación de la energía: S U 0 W W a a c W N qa qc t 1 q q q a B Tds T A( a) AB ( s B a s q A q q ) c a a q c q c a Tds B( C) T t 1 T BA AB T BA ( s B s A ) T1 CARNOT: TAB T2 TBA T1 t 1 f ( T1, T2 ) T T1 RANKINE: TAB T TBA T1 t 1 f ( p1, p2 ) T 2 AB T1 HIRN: TAB T3 TBA T1 t 1 f ( p1, p2, T3 ) (Rankine con recalentamiento) T AB Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 11

12 h [kj/kg] s [kj/kgk] W q a q c ( h h h 3 h2 ) ( h4 h1 ) h3 h4 ( h2 h1 ) 3 4 Rendimiento térmico o motor ( 0.40) W t q ciclo cald Q 1 Q cond cald T 1 T cond cald W h3 h4 Rendimiento de la turbina: TV (con imperfecciones de diseño, fricción, etc.) W h h N m cs v W 3 4S Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 12

13 CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO CALDERA COMBUSTIBLE TURBINA BOMBA CONDENSADOR 3 4 T S VENTAJAS: Aumenta el rendimiento ( T cald ) Aumenta el trabajo específico ( w ( h5 h4' ) ( h5' h6' ) Disminuye la humedad INCONVENIENTES: Mayor costo y complejidad. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 13

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15 Modificación del ciclo Rankine con la modificación de los parámetros iniciales: Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 15

16 INFLUENCIA DE LA PRESION A LA ENTRADA DE LA TURBINA Ventajas: Aumento del rendimiento ( T cald ) (Si p>225 bar supercrítico) Inconvenientes: Aumento de la humedad (<12%), diminuye título vapor El trabajo específico aumenta y luego disminuye (el punto de inflexión depende de T max ) Variación de la eficiencia del ciclo con la presión: Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 16

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18 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA A LA ENTRADA DE LA TURBINA T 3 h P=cte S S VENTAJAS: aumenta ( T cald ) W mejora, mayor salto entálpico (aumenta trabajo específico) Disminuye la humedad a la salida de la turbina, aumenta título vapor Limitaciones por la T max soportable por la caldera y la turbina. INCONVENIENTES: Aumenta el coste. Variación de la eficiencia del ciclo en función de la temperatura de vapor: Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 18

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20 INFLUENCIA DE LA PRESION EN EL CONDENSADOR. T 3 h S S VENTAJAS: Mejor rendimiento ( T cond ) W mejora, mayor salto entálpico ( h 4 ) INCONVENIENTES: Mayor humedad en escape de la turbina. Limitado por la temperatura del refrigerante. Condensar a 50ºC supone 0.12 bar Tamaño del condensador muy grande. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 20

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22 CICLO REGENERATIVO MÁQUINAS HIDRÁULICAS Y TÉRMICAS Si en un ciclo Ranking extraemos calor de la expansión para precalentar el agua de alimentación de la caldera, tenemos un CICLO REGENERATIVO. CALDERA BOMBA 2 3 MEZCLADOR T 3 BOMBA 2 COMBUSTIBLE CONDENSADOR TURBINA EXTRACCIÓN S Se tiende a hacer varias extracciones de vapor en la turbina. Se reduce el flujo de vapor en los últimos escalonamientos de la turbina con lo que se reduce el tamaño o la velocidad axial (menos perdidas de escape). Hay más gasto en las etapas (escalonamientos) de alta presión donde hay mejor rendimiento. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 22

23 T '1 T2 t 1 6 T 1 T 34 1 Carnot VENTAJAS: Aumenta el rendimiento (porque Q cond ) Disminuye la cantidad de vapor a baja presión El agua de alimentación entra en la caldera a temperatura elevada Esquema simplificado de una instalación típica de una central térmica con precalentamiento del agua de alimentación con vapor extraído de la turbina: Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 23

24 Ciclo regenerativo con precalentadores de mezcla: Si por cada kg de vapor admitido en la turbina extraemos y 1, y 2 e y 3 kg en cada una de las extracciones, las ecuaciones en los precalentadores serán: Para el tercer precalentador: y3( hc h'1' ) (1 y1 y2 y3)( h1' h2 ) Para el segundo precalentador: y2 ( hb h'1'' ) (1 y1 y2 )( h1'' h2' ) Para el primer precalentador: y ha h ) (1 y )( h ) 1( '1''' 1 1''' h2' ' INFLUENCIA DE LAS EXTRACCIONES: Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Página 24

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