Termodinámica y Mecánica de Fluidos T5.- CICLOS DE POTENCIA Grados en Ingeniería Marina y Marítima. TD. T5.- Ciclos de Potencia

Transcripción

1 ermodinámica y Mecánica de Fluido.- CICLOS DE POENCIA Grado en Ingeniería Marina y Marítima D..- Ciclo de Potencia La traarencia on el material de aoyo del rofeor ara imartir la clae. No on aunte de la aignatura. Al alumno le ueden erir como guía ara recoilar información (libro, ) y elaborar u roio aunte Deartamento: Area: Ingeniería Eléctrica y Energética Máquina y Motore érmico CARLOS J RENEDO renedoc@unican.e Deaco: ESN / ESII S- 8 tt://eronale.unican.e/renedoc/index.tm lfn: ESN 9 0 / ESII ermodinámica y Mecánica de Fluido.- CICLOS DE POENCIA Grado en Ingeniería Marina y Marítima D..- Ciclo de Potencia Objetio: Ete tema e el má exteno del bloque, en él e etudian lo ciclo termodinámico, detinado a la obtención de otencia o trabajo. En rimer lugar e abordan lo ciclo de aor, ara finalizar con lo ciclo de ga. Se etudiarán tanto lo ciclo imle como lo mejorado con recalentamiento, regeneración, extracción, o refrigeración intermedia El tema e comlementa con una ráctica de laboratorio obre la imulación or ordenador de ciclo termodinámico de otencia

2 .- CICLOS DE POENCIA.- Introducción.- Ciclo de Vaor..- Ciclo de Carnot..- Ciclo Rankine..- Ciclo Rankine con recalentamiento..- Ciclo Rankine con regeneración..- Ciclo Rankine con regeneración y recalentamiento..- Ciclo Rankine uercrítico.7.- Pérdida en el ciclo Rankine.- Ciclo de Aire..- Comreore..- Ciclo de aire etándar..- Ciclo de Carnot..- Ciclo Otto..- Ciclo Dieel..- Ciclo Dual.7.- Ciclo Ericon y Stirling.8.- Ciclo Brayton.9.- Ciclo Brayton regeneratio.0.-ciclo Brayton con recalentamiento..- Ciclo Brayton regeneratio con recalentamiento y refrigeración.- Ciclo Combinado.- Cogeneración.- Máquina érmica..- urbina de aor..- Motore de combutión..- urbina de ga..- Motor Stirling.- CICLOS DE POENCIA.- Introducción Lo ciclo termodinámico on la bae de la utilización energética En lo ciclo de otencia: Se extrae calor (combutible),,deunfocoaaltatemeratura, FC Se obtiene trabajo útil, W Se cede calor reidual, a un foco a baja temeratura, FF (aire ambiente, o agua de mar, de un río, ) Se cumle la condición de equilibrio de la energía: Q [] Sit. Ab. W FC w d dq dwr d d En bomba (liq) cte) w En cald/cond( cte) c c Q M Wt En la urbina Q 0, y E 0 cin dq d Wt M( ) dq w c d r ga erfecto c ( )

3 .- CICLOS DE POENCIA.- Introducción (II) VAPOR DE AGUA =,0 bar Entalia kj / m C m /kg kj / kg 0,9 0, , 980, ,7., ,7.0, , = 0 bar Entalia kj / m C m /kg kj / kg 0 0,0 0,.99,0 0 0, 980,.0, 00 0,7.,8.07,0 70 0,7.0,0.8,.000 0, , AIRE =,0 bar Entalia kj / m C m /kg kj / kg 0 0, ,0 8,.09 00, ,9.07, ,.8, 7. = 0 bar Entalia kj / m C m /kg kj / kg 0 0, ,90 0 0,0 8,., 00 0,9 79.8,9 70 0,97.07,9.,.000 0,.8,.7,8 urbina.- Ciclo de aor (I).- CICLOS DE POENCIA Humo Bomba Q c Caldera W B W Condenador Q F urbina Cimenea Generador Vaor de agua Q c Identificación de unto Aire Combutible Caldera Condenador B. orre de Refrigeración W B Bomba

4 .- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de aor (II) urbina W Identificación de unto Q c w urb Caldera W B Bomba Condenador Q F wbomb L ( ) q q FC FF q q cald cond L L Por unidad de maa W W urbina W Bomba W urbina W M w M q FC w q FC ( ) ( ) ( ) Q Q FF FC.- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de aor (III) Do ciclo termodinámico báico de aor, el ciclo de Carnot (ideal), y el ciclo de Rankine (real), que tiene diferente ariante..- Ciclo de Carnot (I) E el ideal Limitado or do ioterma y do adiabática ( cte) Q Q q b a FF FC d cte ( b a ) [] El foco frío e el medio ambiente, u temeratura e conocida, y W max e: C FF FC ( ) ( ) FF FC W C Q FC F C amb FC Q FC S S C F El calor cedido al medio ambiente en ciclo reale e uerior al %, y e exrea: Q FF Q FC amb FC

5 .- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de aor (IV)..- Ciclo de Carnot (II) Lo elemento eenciale del ciclo on: la turbina de aor, (-) el aor e exande con cte, obteniendo W un condenador, (-) condena el aor aliente de la turbina a (y ) cte una bomba, (-) en la que e elea la reión ioentróicamente una caldera, (-) a (y ) cte e aoriza el agua F C S S C F El trabajo aborbido en la bomba, en rimera aroximación, e derecia, ya que el obtenido en la turbina e muco mayor.- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de aor (V)..- Ciclo Rankine (I) El ciclo de Carnot reenta do roblema ráctico: La bomba trabaja mal i lo ace con aor Si la exanión e realiza en la zona de aor aturado corren eligro lo álabe de la turbina, ay que limitar formación de agua líquida El ciclo real trabaja con cambio de fae, el ciclo Rankine Ete ciclo, también lo decriben do ioentróica y do iobara a Ciclo de Carnot Ciclo de Rankine eitando aor en la bomba Ciclo de Rankine eitando aor en la turbina (teórico)

6 .- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de urbina aor (V)..- Ciclo Rankine (I) a El ciclo de Carnot reenta do roblema ráctico: Q c La bomba a trabaja mal i lo ace con aor Si la exanión e realiza Qen F la zona de aor aturado corren eligro lo álabe de Caldera la turbina, ay que limitar formación de agua líquida El ciclow real B trabaja con cambio de fae, el ciclo Rankine Bomba W Condenador Ete ciclo, también lo decriben do ioentróica y do iobara a Ciclo de Carnot Ciclo de Rankine eitando aor en la bomba Ciclo de Rankine eitando aor en la turbina (teórico).- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de aor (VII) Sin entido ráctico..- Ciclo Rankine (II) a Para eitar líquido en la turbina, e aumenta la de entrada, obrecalentamiento El aumento de max del ciclo ( > ) C R Para que ( = ) debería a medida que e eaora el agua eto no tiene entido ráctico En rimera aroximación e derecia el trabajo aborbido or la bomba wbomb L ( ) q q FC FF w urb q q cald cond R W turb W Q cald bomb W Q turb cald

7 .- CICLOS DE POENCIA En una lanta de otencia de aor de agua que funcione entre la reione de 0 kpa y MPa con una temeratura máxima de 00ºC. Cual e el máximo rendimiento de ee ciclo?.- Ciclo de aor (VI) a.- CICLOS DE POENCIA caldera a Ciclo Rankine (III) 0 Para mejorar el rendimiento ay que: W y/o Q : aumentar la reión en la caldera (? ) aumentar la temeratura en la caldera diminuir la temeratura de alida de la turbina a 0 Se debe: reetar la max de la caldera, limitada or lo materiale, del orden de 00ºC eitar trabajar en la zona de aor aturado coniderar la min que e dione ara condenar caldera alida urbina a

8 .- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de aor (VI)..- Ciclo Rankine (III) caldera a 0 caldera a X alida urbina X 0 a X.- CICLOS DE POENCIA En una lanta de otencia de aor de agua que funcione entre la reione de 0 kpa y MPacon una temeratura máxima de 00ºC. Cual e el máximo rendimiento de ee ciclo?

9 .- CICLOS DE POENCIA En una lanta de otencia de aor de agua que funcione entre la reione de 0 kpa y MPa con una temeratura máxima de 00ºC. Cual e el máximo rendimiento de ee ciclo?.- CICLOS DE POENCIA En una lanta de otencia de aor de agua que funcione entre la reione de kpay MPa con una temeratura máxima de 00ºC. Cual e el máximo rendimiento de ee ciclo?

10 .- CICLOS DE POENCIA En una lanta de otencia de aor de agua que funcione entre la reione de kpay MPacon una temeratura máxima de 00ºC. Cual e el máximo rendimiento de ee ciclo?.- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de aor (VIII)..- Ciclo Rankine con recalentamiento ra exanionar el aor en una turbina de alta reión (.A./.H.P) e recalienta ara oler a er exanionarlo en una turbina de baja (.B./.L.P.) E oible encontrar turbina que incluyan la do etaa WHP WLP R Recal.B. QCaldRec Recalentador Q R Q C Caldera W B Bomba.A. W A +B Condenador a W, ero no, ya que también con calor reidual de la caldera Pto en zona de aor eco

11 .- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de aor (IX)..- Ciclo Rankine con regeneración (I) [00%] [00%-y%] [y%] Para Q e uede recalentar el agua que entra en la caldera con un angrado o extracción de aor de la turbina [] [y] [-y] La del angrado debe er tal que u de aturación ea la intermedia entre la de condenación y la de aturación en la caldera Si ay ario angrado, la temeratura deben er equiditante La unión del angrado con el condenado e realiza en un elemento calentador, que uede er abierto (mezcla) o cerrado (intercambio térmico) m alim Sat Sangrado m m y y c Sat Caldera Sat Condenador nº Sangrado.A..B. W A +B.- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de aor (X)..- Ciclo Rankine con regeneración (II) Sat Caldera 7 Sat Sang 7 Sat Sang 9 Sat Sang 8 Sat Cond Sat Sangrado Sat Caldera Sat Condenador nº Sangrado

12 .- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de aor (XI)..- Ciclo Rankine con regeneración (III) Ec. Maa (Pro agua).a..b. m alim m m c Q C Caldera W B [] [-y] [y] 7 Bomba Mezcla Calentador abierto W B W A +B Bomba Condenador RRegen W W Q HP Cald [] 7 7 [y] [-y] LP [ y] 7.- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de aor (XII) [y] [m ]..- Ciclo Rankine con regeneración (IV) Ec. Maa (Pro agua) m alim m m [ ] [ y ] [ y ] c m m alim m m c alim y y 7 [] [m alim ] Calentador abierto [-y] [m C ] Ec. Energía (Pro agua) alim alim m alim alim alim m m y m alim m c mc c m c y alim y ( y) c c c con Recal. y Regen. [] 8 [y] 7 [-y] alim c y ( c ) y alim c c

13 .- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de aor (XIII)..- Ciclo Rankine con regeneración (V) Ec. Maa (Pro agua) Ec. Energía (Pro agua) m alim m m c.a..b. alim m alim m m c c Q C W A +B [] [-y] [y] Condenador m m alim alim c c [] Caldera Int. calor Calentador cerrado Bomba 7 8 [y] [-y] 7 [y] W B Purgador 8.- Ciclo de aor (XIV).- CICLOS DE POENCIA..- Ciclo Rankine con regeneración (VI) Ec. Maa (Pro agua) m alim m m [ ] [ y ] [ y ] c m m alim m m c alim y y [] [m alim ] [y] [m ] Calentador [] cerrado [m alim ] 7 [y] [m ] Ec. Energía (Pro agua) m alim m 7 [] m 7 malim y 7 y 7 7 [y] [-y]

14 .- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de aor (XV)..- Ciclo Rankine con regeneración y recalentamiento El ciclo con regeneración, ero uede reentar roblema de aor en la turbina, e uele combinar con el ciclo con recalentamiento Recalentador Q R Q C Caldera W B [-y].b. [] [-y] [y] 8 B..A. 7.B. Calentador abierto W B W A +B B. Condenador R RegRec W HP 7 8 Cald W Q LP 8 7 Poible con Regenerador cerrado 7 [] [y] [-y] 7 [ y] [ y] 8.- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de aor (XVI)..- Ciclo Rankine uercrítico En lo ciclo ito ata aora, la mayor arte de la tranferencia de calor e realiza a igual o inferior a la de aorización (del orden de 0ºC) Pero la de lo gae en la caldera uede er muco mayor Para mejorar el rendimiento ay que intentar que aor = umo caldera, ara lo que e intenta que la tranferencia térmica e aga a Ete ciclo trata de eitar la zona bifáica Imlica de trabajo, y or lo tanto mayor cote de intalación Para eitar la formación de agua en la turbina e neceario que ete ciclo e combine con etaa de regeneración y de recalentamiento.

15 .- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de aor (XVII).7.- Pérdida en el Ciclo Rankine Lo ciclo reale tienen érdida, debida a enfriamiento, érdida de carga en conducto, en la bomba, etc El mayor orcentaje e roduce en la etaa de exanión, que tiene un rendimiento entre el 80 y el 90% W Ete efecto η, ero reduce la oibilidad de encontrar agua en la turbina Bomb W cte real Bomb a urb W W real cte urb ( ) Exiten otra érdida, como la de la caldera, del orden del % del calor uminitrado or el combutible, y que deben er tenida en cuenta en el rendimiento de la lanta térmica, or ello el װ de lo ciclo ronda el %.- CICLOS DE POENCIA En una lanta de otencia de aor de agua que funcione entre la reione de 0 kpa y MPa con una temeratura máxima de 00ºC. Si la turbina, que etá térmicamente ailada, tiene un rendimiento adiabático del 90%. Determinar el máximo rendimiento del ciclo y la temeratura de alida del aor de agua de la turbina S S

16 .- CICLOS DE POENCIA Comrimen, mediante el emleo de un trabajo exterior, un ga, (aire, o mezcla) Elean u temeratura El trabajo alicado al comreor e: wcoms Salida Entrada Por unidad de maa Lo comreore olumétrico: Para bajo caudale La álula acen que el ciclo real ea mayor La etaa del ciclo de comreión on: - comreión ( cte) - exulión ( cte)(abre al. de ecae) - exanión ( cte) - admiión ( cte) (abre al. de adm.) Vol.- Ciclo de ga (I)..- Comreore (I) V V V V int.s int.s F atm.s al el eacio muerto (V ) (al modificar V también lo ace V ) técnicamente e neceario or la álula y la tolerancia mecánica Exulión Ideal / eórico Real Admiión.- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de ga (II)..- Comreore (II) W com e uede i e extrae Q, (refrigerando) Ref. (Q<0) Po. relatia cte / cte (Q=0) Suoniendo la comreión adiabática e: wcom [] c com c ( w ) Si la caacidad térmica e cte, en una comreión con = cte: [] De eta manera e uede exrear el trabajo como: w com R Interea baja

17 .- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de ga (III)..- Comreore (III) Contructiamente e difícil refrigerar en el interior del comreor; en la ráctica e intalan do comreore, y una etaa intermedia de refrigeración W C +C Com.. Refrigerador Com. c Ref. b a (Q=0) b c b a w com e uma de do etaa w com R a R b La refrigeración ideal e la que iguala la de entrada a la egunda etaa a la de entrada a la rimera; ademá erá ideal i no e ierde reión ; b a b b.- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de ga (IV)..- Comreore (IV) Para otimizar la reión intermedia, c : Se obtiene: c E decir, la relación de reione e la mima en cada etaa Si la comreión e realizara en má etaa eta regla e mantendría c e c e d f c w d com R dw dc 0 a R b b Lo comreore centrífugo y axiale ato ara grande caudale de ga roorcionan equeña relacione de comreión i e deea alcanzar grande reione e neceario colocar aria etaa

18 .- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de ga (V)..- Comreore (V) El Comreor tiene un rendimiento ioentróico com W W com com w com w com com com c c w com c ( ) wcom c ( ) com con = cte: com.- CICLOS DE POENCIA Un comreor olumétrico debe roorcionar 0 kg/min de aire a.00 kpa. Al comreor le entra aire atmoférico a 0ºC. Determinar el trabajo neceario i e uone que el comreor tiene un rendimiento del 90%

19 .- CICLOS DE POENCIA Si ara realizar la comreión anterior e utilizan do comreore, de rendimiento del 90%, con una refrigeración intermedia. Determinar el trabajo neceario.- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de ga (VI)..- Ciclo de aire etándar Formado or do adiabática y do iócora Se uone: un ciclo de trabajo todo e aire, el combutible e dereciable ga ideal, caacidade calorífica contante no exite roceo de admiión PMS PMI el ecae e una tranferencia de calor al exterior a olumen contante lo PMS y PMI on lo olúmene mínimo y máximo, (V y V ) el olumen correondiente al PMS e el eacio muerto Cilindrada V V Relación de comreión : r cm V / V PMI PMS int.s int.s Porcentaje de olumen muerto : c V V Cilindrada V V F atm.s Wciclo Preión media efectia : PME V V relación de corte : r crt V 8V Inicio y final de la combutión

20 .- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de ga (VII)..- Ciclo de Carnot Formado or do adiabática y do ioterma aexanión a cte en la que e tranfiere calor,, de un foco caliente a FC aexanión a cte acomreióna cte en la que e tranfiere calor,, a un foco frío a FF acomreióna cte S (Q=0) b > a a [] W W Q Q Q FC FC FF QFF FF 9 Q FC FC.- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de ga (VIII)..- Ciclo Otto (I) Formado or do adiabática y do iócora Se comrime el aire a cte (-) Se realiza la combutión bruca, neceita una cia que la inicie; el calor generado elea la reión interior (-) a cte Se roduce una exanión a cte (-) Finalmente e comunica a cte el calor al exterior (-) m c ( ) QFC aire QFF maire c ( ) Ioentríoica ( cte) (-, y -) Iocora ( = cte), (-, y -): PMS PMI Otto a PMI a rcm PMS a

21 .- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de ga (IX)..- Ciclo Otto (II) Otto rcm a a a PMS PMI PMI PMS En el ciclo Otto, al r cm Si yv,, la ióbara y la iócora diergen; ( ero W ) 0,7 0, 0, Rendimiento Otto [] 0, 0, = cte = cte 0, Relación de comreión.- CICLOS DE POENCIA Un motor de ignición forzada tiene una relación de comreión de 0, mientra funciona con ª mínima de 00ºC y reión de mínima de 00 kpa. Si el trabajo que debe roorcionar e.000 kj/kg. Calcular el rendimiento térmico máximo oible y comarar con un ciclo de Carnot. Calcular la PME PMS PMI a a a PMI PMS

22 .- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de ga (X)..- Ciclo Dieel (I) Si r cm e grande (>) autodetona el combutible in neceidad de cia Se comrime el aire a cte (-) La ace que detone, el calor rooca una exanión con cte (-) Se roduce una exanión a cte (-) Se comunica el calor al exterior a cte (-) Ióbara ( = cte): (-) Adiabática: cte Iocora ( = cte): (-) PMS PMI PMI [] = cte PMS a a = cte.- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de ga (XI)..- Ciclo Dieel (II) a a PMS PMI PMI PMS Dieel r cm crt r (r crt ) En el ciclo Dieel, al r cm (al igual que en el ciclo Otto) Para una r cm Otto > Dieel En la ráctica r cm Dieel >r cm Otto y Otto < Dieel Si yv,, la ióbara y la iócora conergen; W ero (En el ciclo Otto ete efecto e contrario)

23 .- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de ga (XII) / r..- Ciclo Dieel (III) Dieel r cm crt r (r crt ) PMS PMI PMI PMS a a En el ciclo Dieel: alr cm alr crt r cm V V r crt V V.- CICLOS DE POENCIA Un ciclo dieel con una relación de comreión de 8 funciona con aire y reión de mínima de 00 kpa y ª mínima de 00ºC. Si el trabajo roducido e de.000 kj/kg. Calcular el rendimiento térmico máximo oible y comara con un ciclo de Carnot. Calcular la PME, y comarar con un ciclo Otto funcionando con la mima reión máxima a a PMS PMI PMI PMS

24 [].- CICLOS DE POENCIA cte cte.- Ciclo de ga (XIII)..- Ciclo Dual (I) Modela la combutión en do etaa: una rimera a cte (Otto) otra egunda a cte (Dieel) Se inicia comrimiendo a cte (-) PMS Se uminitra calor a cte (-) [Otto] Se igue comunicando calor, ero a cte (-) [Dieel] Se roduce una exanión a cte (-) Finalmente e comunica el calor al exterior a cte (-) PMI r crt V V V V PMI PMS Final de inicio de la combutión Si el motor e Otto el unto e coincidente con el, y i el Dieel el con el QFC maire c ( ) c ( ) QFF maire c ( ) Relación de reione : r Final e inicio de la combutión Dual Dual ( ) r 7 cm r r r (r crt crt ) r.- Ciclo de ga (XIV)..- Ciclo Dual (II).- CICLOS DE POENCIA r r crt Dual r cm r (r r r crt crt ) r PMS r cm PMI En el ciclo Otto r crt = Dual r crt r cm En el ciclo Dieel r = r V / V crt r 0 r r r / cm Otto Ciclo real W > 0 Dual r r cm r (r crt crt ) 0 r cm crt r (r crt ) Dieel Ecae 8 PMS W < 0 Admiión PMI carrera / tiemo

25 .- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de ga (XV) Com..G..7.- Ciclo Ericon y Stirling Ericon: do ioterma y do iobara Stirling: or do ioterma y do iócora El uminitro de Q e realiza a cte (Q =Q ) En el regenerador, el aire de ecae recalienta el aire de entrada W C Q Reg Regenerador W G a cte, = Carnot FF FC Problema contructio real < teórico El calor e uede obtener mediante combutión externa (malo combutible).- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de ga (XVI).8.- Ciclo Brayton (I) La turbina de ga uede funcionar: Con un ciclo abierto, con una cámara de combutión Con uno cerrado, con do intercambiadore de calor Com..G. W G I.C. Aire Gae de ecae Com..G. W G Cámara de Combutión W Inter. Calor comreor Relación de acolamiento uede alcanzar el 80% Wturbina Combutión externa

26 .- CICLOS Com. DE POENCIA.G. W G I.C..- Ciclo de ga (XVII).8.- Ciclo Brayton (II) Aire Cám. Comb. Gae de ecae Com..G. W G El ciclo Brayton e: con do adiabática y do iobara La comreión y exanión on ioentróica El calor e comunica y extrae con cte Relación de reione : r Inter. Calor a a.- CICLOS Com. DE POENCIA.G. W G I.C..- Ciclo de ga (XVIII).8.- Ciclo Brayton (III) Aire Cám. Comb. Gae de ecae Com..G. W G Se uone c cte Cálculo recio deben tener en cuenta u ariación QFC maire c ( ) Q c ( FF QFC c ( m c ( ) QFF aire ) ) Inter. Calor Brayton r / r /

27 .- CICLOS Com. DE POENCIA.G. W G I.C..- Ciclo de ga (XIX).8.- Ciclo Brayton (IV) Aire Cám. Comb. Gae de ecae Com..G. W G / Brayton r Inter. Calor 0, Rendimiento Brayton 0, 0, Relación de reione.- CICLOS Com. DE POENCIA.G. W G I.C..- Ciclo de ga (XX).8.- Ciclo Brayton (III) Aire Cám. Comb. Gae de ecae Com..G. W G no cte arox.% Inter. Calor ioent urb W W real cte ioent Com W W cte real Real Real Real Real Sólo e conidera cte

28 .- CICLOS DE POENCIA Al comreor de una turbina de ga entra aire a 00 kpa y ºC. Para una relación de reione de y una temeratura máxima de 80ºC determinar la relación de acolamiento y el rendimiento térmico utilizando el ciclo Brayton a a.- CICLOS DE POENCIA Al comreor de una turbina de ga entra aire a 00 kpa y ºC. Para una relación de reione de y una temeratura máxima de 80ºC determinar la relación de acolamiento y el rendimiento térmico utilizando el ciclo Brayton a a Determinar: lo trabajo dearrollado or la turbina, aborbido or el comreor, el entregado or el gruo al exterior, y lo calore uminitrado y exulado

29 .- CICLOS DE POENCIA Si el comreor y la turbina del ejercicio anterior tienen un rendimiento del 80%. Determinar: lo trabajo dearrollado or la turbina y aborbido or el comreor, el trabajo que entrega el gruo t-c al exterior, la relación de acolamiento, lo calore uminitrado y exulado, y el rendimiento térmico.- CICLOS DE POENCIA Com..G. W G.- Ciclo de ga (XXI).9.- Ciclo Brayton regeneratio (I) El calor cedido al exterior e aroeca con un regenerador (interc. de calor) X Cámara Int. Comb. Calor Y [] El ideal iguala a entrada y alida Real: Ideal: cte x Q FC ; m y aire c a b c (a b ) Wcom maire c ( ( ) QFC maire c ( ) Wturb maire c ( ) QFC W turb x ) X Y Ideal: X = X Q Reg Y Q Reg Ideal: Y= W turb W Q FC com W W com turb ( / ) ( / )

30 .- CICLOS DE POENCIA Com..G. W G.- Ciclo de ga (XXI).9.- Ciclo Brayton regeneratio (I) El calor cedido al exterior e aroeca con un regenerador (interc. de calor) X Cámara Int. Comb. Calor Y El ideal iguala a entrada y alida Ideal: X = Q x FC X ; y Real: Ideal: W turb W Q FC com QQFC m mairec ( c ( x) ) FC aire Q QFC FC m airec aire ( c ( ) ) Wturb Qm Reg airec c ( ( ) ) [] cte W a b c (a b ) W com m airec ( ( ) ) Q FC W turb W W Y Ideal: Y = com turb S cte cte x X Ideal: Q X = FC Ideal: X = X Q Reg X Y Q Reg Y Q Reg Ideal: Y= Ideal: Y = Y Q FF ( / ) ( / ).- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de ga (XXII).9.- Ciclo Brayton regeneratio (II) ( / ) ( / ) X Q Reg Y X Q Reg Y Adiabática: (-) (-) Iobara: (-) y (-): BRe g r ( ) /

31 .- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de ga (XXIII).9.- Ciclo Brayton regeneratio (III) BRe g r ( ) / BReg al r X Q Reg Y X Q Reg Y 0,8 Rendimiento Brayton Regeneratio 0, = 00ºC = 80ºC 0, 0, 0 x ; y Relación de reione.- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de ga (XXIV) 0,8 Rendimiento Brayton Regeneratio.9.- Ciclo Brayton regeneratio (IV) 0, = 00ºC = 80ºC 0, BRe g r ( ) / BReg al r 0, Relación de reione En el regenerador no e ueden igualar la a x ;y reg x x 0, Rendimiento Brayton Br r ( / ) r ( / ) B al r 0, 0, Para r baja BReg > B Para r alta BReg < B Relación de reione

32 .- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de ga (XXV).0.- Ciclo Brayton con recalentamiento Com..G..G. W G + Y X Cám. Comb. X Cám. Rec. Y X = Y max limitada or lo álabe de la turbina El recalentamiento el área del ciclo in max Se neceitan do turbina y una egunda cámara de combutión (recalentador) La reión intermedia debe acer que la X relacione de reione ean iguale X.- CICLOS DE POENCIA.- Ciclo de ga (XXVI).0.- Ciclo Brayton regeneratio con recalentamiento y refrigeración C. Refrig. C. Int. Calor X Y 8 Cám. Comb. W G.G..G. Cám. Rec. 7 8 = = = 7 X Q Reg Y 7 8 Para mejorar el funcionamiento e uede introducir una refrigeración intermedia entre do etaa de comreión comlementado con un recalentamiento y un regenerador La reión intermedia en el recalentamiento debe er la mima que en la refrigeración

33 .- Ciclo de ga (XXVI).- CICLOS DE POENCIA = = = Ciclo Brayton regeneratio con recalentamiento y refrigeración C. Refrig. C. Y Int. Calor X 8 Cám. Comb..G. X W G Cám. Rec. Q Reg 7.G. 8 8 = = = 7 Y 8 X Q Reg Y 7 8 Para mejorar el funcionamiento e uede introducir una refrigeración intermedia entre do etaa de comreión comlementado con un recalentamiento y un regenerador La reión intermedia en el recalentamiento debe er la mima que en la refrigeración.- CICLOS DE POENCIA Determinar la relación de acolamiento y el rendimiento térmico Si al comreor de una turbina de ga le entra aire a 00 kpa y ºC, tiene una relación de reione de y una temeratura máxima de 80ºC, e le añade un regenerador ideal. Ideal: X = X Q Reg Y Ideal: Y =

34 .- CICLOS DE POENCIA Una turbina de ga tiene una comreión en do etaa con refrigeración intermedia, un recalentador ideal y una otcombutión. Coniderando el comreor y la turbina ioentróico, determinar el rendimiento i al comreor le entra aire a 00 kpa y ºC, la relación de reione e de y la temeratura máxima de 80ºC = = = Q Reg 0 Camara..- CICLOS DE POENCIA Combut..- Ciclo Combinado (I) Com..G. W G Lo gae de ecae de una turbina de ga, o un motor de combutión, e emlean ara alimentar térmicamente una caldera de recueración de un ciclo de aor Aire Gae de ecae 7 Q F Caldera de recueración.v. 8 W V Quemador auxiliar Gae de ecae de do.g. W B Bomba 9 Q F Condenador

35 .- CICLOS DE Aire POENCIA.- Ciclo Combinado (I) Lo gae de ecae de una turbina de ga, o un motor de combutión, e emlean ara alimentar térmicamente una caldera de recueración de un ciclo de aor W MACI Gae de ecae 7 Q F Caldera de recueración.v. 8 W V Quemador auxiliar Gae de ecae de do.g. W B Bomba 9 Q F Condenador Camara..- CICLOS DE POENCIA Combut..- Ciclo Combinado (II) Com..G. W G Ideal: = y 7 = = y 7 = Aire maire caire ( ) maor caor (7 ) Q F Gae de ecae Caldera de recueración 7 7.V. 8 W V maire ( ) maor (7 ) Q F Ciclo Comb W G W Q cm FC W V W B Bomba 9 Condenador

36 .- CICLOS DE POENCIA Central érmica de Ciclo Combinado (I) Arrubal, La Rioja ( x 00 MW).- CICLOS DE POENCIA Central érmica de Ciclo Combinado (II) Arrubal, La Rioja ( x 00 MW)

37 .- CICLOS DE POENCIA Central érmica de Ciclo Combinado (III) Arrubal, La Rioja ( x 00 MW).- CICLOS DE POENCIA Una lanta imle de otencia de aor funciona entre la reione de 0 kpa y MPa con una ª máxima de 00ºC. La otencia obtenida en la turbina de aor e de 00 MW. La energía uminitrada a la caldera e toma de una.g. que toma aire a 00 kpa a ºC, tiene una relación de reione de y una ª máxima de 80ºC. Lo gae de ecae alen de la caldera a 0K. Determinar el rendimiento del ciclo combinado (Brayton-Rankine) Camara. Combut. Com..G. W G Aire 7 Q F Caldera de recueración.v. 8 W V W B Q F Bomba 9 Condenador

38 .- CICLOS DE POENCIA En un ciclo combinado lo gae de ecae de la G (que entrega en el eje 00 MW, de lo que arte on aborbido or el comreor) e aroecan en una caldera de recueración ara roducir aor de agua y alimentar una V. El comreor tiene una relación de reione de y toma aire a 00 kpa y ºC, iendo la alcanzada en el combutor de 80ºC, y aliendo lo gae de ecae de la caldera de recueración a 80ºC. El aor e obtiene a 8, MPa y 00ºC, y la condenación del ciclo e roduce a 0 kpa. (W bomba =0,y turbina y comreor on ideale, = cte; ɣ aire =,; C aire =, kj/kgk) Com. Camara. Combut..G. Aire Q F Caldera de recueración W G 7.V. 8 W V Relación de acolamiento en la.g. El rendimiento del ciclo Brayton Maadeaireenkg/ rabajo dearrollado or la G, aborbido or el comreor, y entregado en el eje or el gruo Calore a comunicar en el combutor y extraído en el ecae de la G Maadeaor rabajo dearrollado or la.v. Rendimiento del ciclo combinado W B Q F Bomba 9 Condenador.- CICLOS DE POENCIA En un ciclo combinado lo gae de ecae de la G (que entrega en el eje 00 MW, de lo que arte on aborbido or el comreor) e aroecan en una caldera de recueración ara roducir aor de agua y alimentar una V. El comreor tiene una relación de reione de y toma aire a 00 kpa y ºC, iendo la alcanzada en el combutor de 80ºC, y aliendo lo gae de ecae de la caldera de recueración a 80ºC. El aor e obtiene a 8, MPa y 00ºC, y la condenación del ciclo e roduce a 0 kpa. (W bomba =0,y turbina y comreor on ideale, = cte; ɣ aire =,; C aire =, kj/kgk) Com. Camara. Combut..G. Aire Q F Caldera de recueración W B W G 7.V. Bomba 9 8 W V Q F Condenador Vaor eco Pa 0 0 Pa (kj/kg) (kj/kg K) ºC 88, 00ºC.080 9, Pa 8, 0 Pa (kj/kg) (kj/kg K) ºC 9 0, 00ºC.0. Vaor úmedo Líq. Vaor Líq. Vaor ºC 00 Pa 0 0 8, 0 (kj/kg) (kj/kg )K 0, 8.,,7

39 .- CICLOS DE POENCIA.- Cogeneración (I) Aroecamiento térmico del calor reidual de un ciclo de otencia Del calor cedido en el condenador De lo gae de ecae de un motor o turbina De la refrigeración de la lubricación de un motor RIGENERACION: Aroecamiento del calor de calor de cogeneración ara roducir frío con un itema de aborción ().- CICLOS DE POENCIA.- Cogeneración (II) Centrale de extracción Pérdida de Calor en la Enolente Cimenea.V. Generador Central eléctrica conencional Q Comb B Extracción de Vaor Cond. B. orre de Ref. Combutible Caldera B B. Cogeneración Q Util Utilización érmica Ocione de Funcionamiento

40 .- CICLOS DE POENCIA.- Cogeneración (II) Centrale de extracción Pérdida de Calor en la Enolente Cimenea.V. Generador Central eléctrica conencional Q Comb B Cond. B. orre de Ref. Combutible Caldera B B. Q Util.- CICLOS DE POENCIA.- Cogeneración (II) Centrale de extracción Pérdida de Calor en la Enolente Cimenea.V. Generador Q Comb B Extracción de Vaor Cond. B. orre de Ref. Combutible Caldera B B. Cogeneración Q Util Utilización érmica

41 .- CICLOS DE POENCIA.- Cogeneración (III) Central Back-Preure o Contraeión Pérdida de Calor en la Enolente Cimenea.V. Generador Q Comb Extracción de Vaor Combutible Caldera B B. Cogeneración Q Util Utilización érmica.- CICLOS DE POENCIA.- Cogeneración (IV) Motore dieel Caldera de Recueración urbina de Aire Q Ecae B Utilización érmica Q Util Q Comb Motor Dieel Generador Elect. Ref. Aceite Ref. Agua

42 .- CICLOS DE POENCIA.- Cogeneración (IV) Motore dieel Caldera de Recueración urbina de Aire Comreor Utilización érmica Q Ecae Cooler B Q Util Q Comb Motor Dieel Generador Elect. Ref. Aceite Ref. Agua.- CICLOS DE POENCIA.- Cogeneración (V) urbina de ga Caldera de Recueración B Utilización érmica Combutor Auxiliar Q Ecae Q Util.G. Com. Generador Elect. G.N. Combutor

43 .- CICLOS DE POENCIA.- Cogeneración (VI) Centrale de ciclo combinado Caldera de Recueración.V. Gen. Combutor Auxiliar Q Ecae B Cond. B Utilización érmica.g. Com. Gen. G.N. Combutor.- CICLOS DE POENCIA.- Cogeneración (VII). Ga Motor Dieel Rendimiento mecánico % 0% O en lo gae de ecae % -% Niel entálico de la energía térmica Alto Alto en gae de ecae Bajo en refrig. del motor Cote económico Alto Medio Cote de mantenimiento Alto Medio Reueta a lo cambio de otencia olicitada Mala Buena Ruido y ibracione Alto Medio Contaminación atmoférica Similar

44 .- CICLOS DE POENCIA.- Cogeneración (VIII) Rendimiento anual Combutible líq o ga Combutible ólido Ratio Electricidad/Calor Ditrict Heating Indutrial urbina de aor de contrareión 8 % 8 % 0, 0,0 urbina de aor de condenación y extracción 8 % 8 % 0, 0,0 urbina de ga 8 % 0, 0,0 Ciclo combinado 88 % 0,9 0,7 Motor de combutión 8 % 0,7 0,0.- CICLOS DE POENCIA.- Cogeneración (IX) Preión alida (bar) Ratio Electricidad / Calor ara turbina de aor 0, 0, 0, 0, 0,8 0,0 0, 0, 0, a 0,8 0, 0,8 0, 0, 0,7 0, 0,8 0,8 0, 0, 0,0 0, 0, 0, 0,, 0, 0, 0, 0,8 0, 0,7 0,9 0, 0,9 0, 0, 0,0 0, 0,7 0, 0, 0,0 0, 0,8 0,0 0, 0,9 0, 0,8 0,0 0, 0,7 0,0 0, 0, 0,9 0, 0, 0,8 0, 0, 0, 0,9 0, 0, 8 0,8 0, 0, 0,7 0, 0, 0 0,0 0, 0, 0,7 0,0 0,8 0, 0, 0, 0,8 0,7 0,9 0, 0, 0, 0,8 0, 0, 0, Preión aor (bar) io / reinyectado /0 80/ ª aor (ºC) ª agua alimentación (ºC) Potencia entregada (MW)

45 .- CICLOS DE POENCIA.- Máquina érmica (I)..- urbina de aor (I) ranforma la entalía del aor de agua en energía mecánica en u eje Su rendimiento e el má bajo de toda la máquina térmica cíclica Según el número de etaa e ueden claificar en: urbina imle o monoetaa oeen un único ecalonamiento urbina comueta o multietaa con ario ecalonamiento.- CICLOS DE POENCIA.- Máquina érmica (II)..- urbina de aor (II) En función de la reión del aor a la alida: urbina de contrareión; el aor e extrae a > atm, el aor tra u ao or la turbina tiene un aroecamiento urbina de condenación; el aor ale a < atm, llegando a alir aor úmedo

46 .- CICLOS DE POENCIA.- Máquina érmica (III)..- Motore de combutión (I) La combutión del combutible e realiza en el interior de un cilindro, cuyo cierre lo forma un émbolo que lo recorre (itón) Gaolina Dieel (autodetona or comreión) Ga Diámetro Cilindro Potencia D.C. Cilindrada Maa Motor D.C. Potencia (kw) Cilindrada (cc) Potencia (kw) Maa (kg) D.C. D.C. al D.C.- CICLOS DE POENCIA.- Máquina érmica (IV)..- Motore de combutión (I) De tiemo; (mayor eo y mayor rendimiento) De tiemo; admiión-comreión y exanión-ecae con = cilindrada y rm, dearrolla má otencia (trabajo en cada carrera) cortocircuito admiión ecae OO deerdicio de combutible OO DIESEL Pot Baja (ligero) Pot Alta (tamaño) Pot Media Pot Media

47 .- CICLOS DE POENCIA.- Máquina érmica (V)..- Motore de combutión (III) Lo motore ueden tener airación natural o er obrealimentado Neceitan refrigeración, lubricación y alida de gae (e uede extraer el calor) Lo gae etán a 00ºC, en una caldera e uede roducir aor o agua caliente de 0, kw t or cada kw eje De la refrigeración de la camia e uede obtener agua caliente a 80 a 90ºC de 0, a 0,8 kw t or cada kw eje.- CICLOS DE POENCIA.- Máquina érmica (VI)..- urbina de ga (I) Se comonen rincialmente de tre elemento: Comreor, que comrime el aire comburente Cámara() de combutión, diueta() radialmente urbina accionada or lo gae La turbina e erie de álabe con un cierto ángulo de inclinación ángulo, olidario con una arte móil, obre lo que incide el ga y ace girar

48 .- CICLOS DE POENCIA.- Máquina érmica (VII)..- urbina de ga (II) Giran a gran elocidad, eligro con lo deequilibrio La artícula que ueda arratrar el aire en la entrada on muy erjudiciale El combutible debe etar erfectamente filtrado En lo gae de ecae etá contenido el calor que cede la máquina térmica La turbina de ga ueden tener aria etaa emeora u funcionamiento.- CICLOS DE POENCIA.- Máquina érmica (VIII)..- Motor Stirling (I) Calor Cilindro Delazador Regenerador Refrigeración Humo Volante Pitón de trabajo Caldera Biela con 90º de defae

49 .- CICLOS DE POENCIA.- Máquina érmica (IX)..- Motor Stirling (II) Exande el aire Contrae el aire Frío Calor.- CICLOS DE POENCIA.- Máquina érmica (X)..- Motor Stirling (III) El itón muee el olante, y ete al delazador El delazador e liiano y no conduce fácilmente calor de un extremo a otro Al medio exite un anillo de material caaz de aborber y ceder calor que e el regenerador Cuando el delazador e muee acia abajo, la mayor arte del aire dentro del cilindro queda en la zona caliente y e exande, emujando el itón de trabajo acia abajo Aquí e entrega trabajo al exterior y gira el olante Al uceder eto, una erie de biela mueen el delazador acia arriba, delazando la mayor arte del aire a traé del regenerador acia la zona fría (carrera delazador > carrera del itón; defaada 90º) Allí e enfría el aire, baja la reión, el itón ube, y e reite el ciclo

50 .- CICLOS DE POENCIA.- Máquina érmica (XI) En moimiento en: tt:// Motor Stirling (IV) Calor Frío Aire en el cilindro Eaciador Inercia del olante muee el de. El eaciador a en adelanto 90º reecto al itón Calor.- CICLOS DE POENCIA.- Máquina érmica (XII) En moimiento en: tt:// Motor Stirling (V) Aire en el cilindro Eaciador Pitón rabajo Inercia del olante muee el de. Calor: aire exande y muee el itón acia abajo Frío: El aire contrae y muee el itón acia arriba El eaciador a en adelanto 90º reecto al itón Calor: aire exande y muee el itón acia abajo

51 .- CICLOS DE POENCIA.- Máquina érmica (XIII)..- Motor Stirling (VI) tt:// Programa de imulación del funcionamiento de una Máquina Stirling