Máquinas de combustión externa. 1. Generalidades:

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1 67./7 UBA Ing. O. Jaimovich Capítulo 7 Máquinas de combustión externa. Generalidades: on aquellos conversores que utilizan también la entalpía de un fluido que evoluciona en su interior, pero el cual recibe calor desde una fuente externa, o lo que equivale, de una combustión que se realiza fuera del seno del fluido que evoluciona, o bien, desde otro vector energético. Los conversores que se pueden utilizar en este caso son las máquinas alternativas y las máquinas rotativas. En ambos casos, los sistemas mecánicos básicos resultan similares a los de los correspondientes a la máquinas de combustión interna; es decir que en el caso de las alternativas el trasductor básico es el mismo sistema de pistón y cilindro, vinculado cinemáticamente con el cigüeñal por medio de una biela entera o partida. y en el caso de las rotativas, se trata de turbomáquinas similares a las de gas, de las cuales se diferencian por no requerir el generador de gases (conjunto compresor cámara de combustión turbina de alta).. Ciclos de vapor: e pueden entender los ciclos de las máquinas de combustión externa a partir del siguiente esquema: VAPOR MÁQUINA DE EXPANIÓN (M.C.E.) GENERADOR DE VAPOR BOMBA DE CIRCULACIÓN CONDENADOR A.LM CONDENADO (AGUA) A.LB que corresponde al ciclo ideal de Rankine, cuyo diagrama p-v es: p Qe ALB ALM v Capítulo 7

2 67./7 UBA Ing. O. Jaimovich De acuerdo a esto, el ciclo se puede interpretar por ejemplo con el fluido de trabajo, vapor de agua en este caso, comenzando en el punto, en las condiciones de salida del generador de vapor, es decir con la máxima entalpía. Para el análisis elemental se consideran nulas las pérdidas de calor y de carga en las cañerías, por lo que esas son las mismas condiciones con las que entra en la máquina de expansión (M.C.E.), en la cual produce trabajo mecánico a expensas de su entalpía, hasta un valor tal como el correspondiente a las condiciones del pto., a la salida de la máquina de expansión. Con esas condiciones entra al condensador, en el cual cede su calor remanente al medio (fuente fría) y cambia de estado pasando a la fase líquida, en las condiciones del punto. En esas condiciones es tomado por la bomba, la que eleva la presión del agua hasta el valor correspondiente al pto., con que entra al generador de vapor. Allí recibe calor de la fuente caliente elevando su temperatura primero (pto. ) y luego, cambiando de estado hasta las condiciones del punto con la que vuelve a iniciar el ciclo. De igual forma, se puede ver que en las evoluciones - y - se le entrega calor al sistema (Qe); en la evolución - el sistema entrega trabajo al medio (ALM); en la evolución - el sistema cede calor remanente al medio () y finalmente, en la evolución - se le entrega trabajo al sistema (ALB). Q e = h entonces queda : η = ; Q c = h AL Q e U = ; ( h ) ( h ) AL M h = h ; AL B h = h = h h y como AL U = AL M AL B En los otros diagramas de estado el ciclo ideal de Rankine se representa: H Puede apreciarse que al entrar el vapor en el estado saturado seco en la máquina de expansión (MCE), cualquiera sea la evolución adiabática que siga, es muy probable que al finalizar la misma (punto ) su estado sea de vapor húmedo, es decir, se represente dentro de la campana de cambio de estado, con lo cual se irá formando agua líquida en el interior de dicha máquina, y si es de tipo alternativo como las originales, al ser el agua prácticamente incompresible, puede sobrevenir un problema al legar el pistón al punto muerto interior. Es por ello que se prefirió partir de un vapor en estado sobrecalentado, es decir, al que se le sigue aumentando la entalpía luego de alcanzar el estado de saturado seco, calentándolo más. Con ello, además de eliminar el riesgo de condensación en el interior de la máquina, se mejoró también el rendimiento. Capítulo 7

3 67./7 UBA Ing. O. Jaimovich El ciclo ideal correspondiente es el de Hirn, cuyo esquema y diagrama se puede ver a continuación: sobrecalentador 6 GENERADOR DE VAPOR A.LM Y el correspondiente diagrama p-v: A.LB p 6 v Al resultar h mayor que h el rendimiento en este caso es mayor que el de Rankine. Además de la simple observación del diagrama p-v se nota que para las mismas presiones superior e inferior, el área del diagrama es mayor en el segundo caso, por lo que será mayor también la cantidad de trabajo útil por unidad de masa circulante.. Mejoras en lo ciclos de vapor: i se quiere mejorar el rendimiento del ciclo de Hirn, se puede disminuir la irreversibilidad del proceso de transferencia de calor desde la fuente caliente al fluido que evoluciona mediante precalentamientos previos del agua antes de que entre al generador de vapor, utilizando para ello intercambiadores de superficie y de mezcla utilizando parte del vapor que debería evolucionar en la máquina de expansión, de acuerdo al siguiente esquema: Capítulo 7

4 67./7 UBA Ing. O. Jaimovich sobrecalentador 6 A.LM G. DE V. A.LB Intercamb. de mezcla Intercambiador de superficie A.LB 6 e puede demostrar que el rendimiento de este ciclo es superior al del ciclo de Rankine con sobrecalentamiento (Ciclo de Hirn), y éste a su vez, mayor que el de Rankine. La demostración de ello excede los alcances del presente, aunque se puede acotar, desde el punto de vista teórico, que en el caso del sobrecalentamiento, además de elevar la temperatura de la fuente caliente, el fluido que evoluciona en la máquina de expansión al ser sobrecalentado en vez de saturado seco, se aproxima más a un gas perfecto, por lo que su respuesta será superior en la máquina; en cuanto a los precalentamientos previos a la entrada del generador de vapor, al disminuir las diferencias de temperatura entre el condensado y el interior del generador de vapor, el rendimiento de transferencia de calor en él se mejora (disminuye la irreversibilidad del proceso como se indicó al principio), y por consiguiente, el rendimiento del generador de vapor, y con él, el del ciclo completo.. Ciclos binarios: El criterio básico en este caso es tratar de aprovechar parte del calor cedido a la fuente fría que resulta obligatorio en todo ciclo térmico. En base a eso se propuso utilizar el calor cedido por un ciclo de vapor de un fluido superior para vaporizar a otro fluido inferior a efectos de que éste cumpla otro ciclo. Capítulo 7

5 67./7 UBA Ing. O. Jaimovich El esquema de instalación sería entonces tal como el siguiente: Circuito del fluido inferior A.LM A.LM Circuito del fluido superior Para ello hubo que pensar en un fluido superior tal que la temperatura de su condensación fuera la suficiente como para vaporizar agua, por lo que se adoptó el mercurio como fluido superior, quedando entonces los ciclos tal como se muestra en el siguiente diagrama : K Hg = 60 ºC Fluido superior (Hg) Fluido inferior (HO) K HO = 7 ºC eniendo en cuenta que η Binario = η Hg + η agua η Hg. η y siendo η 0, y η 0,7 es η 0.9 agua Hg agua Binario Por la diferencia entre los calores especfíficos del mercurio y del agua, (0,0 y Kcal/Kg.ºC respectivamente), y los calores latentes de vaporización del mercurio y del agua (70 y 0 Kcal/Kg respectivamente), este ciclo, que se denomina Binario requiere que el flujo de calor en el fluido superior sea entre 0 y veces mayor que en el inferior. u implementación resultó muy dificultosa por los problemas técnicos que plantea el mercurio. La idea se volvió a retomar, pero ya con el agua como fluido superior. Capítulo 7

6 67./7 UBA Ing. O. Jaimovich. Ciclos combinados: A partir de una solución creativa adoptada en un caso de una instalación de vapor para generación de energía en pequeña escala a efectos de prolongar su vida útil, se desarrollaron los llamados ciclos combinados, en los cuales básicamente se aprovecha la enorme cantidad de gases de alta entalpía que conforman el calor cedido de los ciclos de las turbinas de gas para su uso en un generador de vapor, de acuerdo al siguiente esquema elemental de una de las posibles soluciones: A B C URBINA DE GA D CICLO DE VAPOR Cuyo diagrama es A.LB B A C D Los gases de escape de la turbina de gas, de alta entalpía, calientan y presurizan el hogar del generador de vapor, con lo cual mejoran el rendimiento del ciclo de vapor. Y si se consideran ambos ciclos en conjunto, el rendimiento total es mayor que ambos, olamente se debe observar en estos casos, para que se produzca el efecto buscado, la cantidad de gases de escape deberán tener un flujo correspondiente a una potencia de turbina de gas aproximadamente el doble que la del ciclo de vapor. Capítulo 7 6

7 67./7 UBA Ing. O. Jaimovich Este tipo de ciclo dio tanto resultado desde el punto de vista del rendimiento, que muy rápidamente se comenzaron a fabricar instalaciones nuevas de este tipo, teniéndose en la actualidad innumerables instalaciones cuyos ciclos de vapor tienen calderas directamente sin hogar ni quemadores, pasando a ser simples recuperadores de calor de gases de escape de los grupos turbogas. A estos ciclos se los conoce por su denominación ingles gasteam Instalaciones modernas tienen esquemas funcionales como el siguiente ejemplo de iclo combinado a dos presiones ype 0 (ulzer -Escher Wyss Ltd.): 9ºC, Bar 70ºC 0 Bar ºC 0,9 MW 8,7 MW compresor 6,88 MW (Combustible) Eficiencia total en bornes de generadores: 6,9% Existen instalaciones con tres y hasta cuatro presiones distintas de trabajo Capítulo 7 7

8 67./7 UBA Ing. O. Jaimovich 6. Ciclos supercríticos: Finalmente, en los casos de generación en la mayor escala y para mejorar el rendimiento total del ciclo, se realizan instalaciones que funcionan con vapor a parámetros súper críticos, es decir, a temperaturas superiores a la temperatura critica del vapor de agua. Con ello se obtienen los siguientes beneficios: El vapor sobrecalentado a temperaturas súper críticas se comporta prácticamente como un gas perfecto, con lo cual resulta más predecible su comportamiento. Además no presenta riesgo de condensación dentro de las máquinas de expansión (turbinas), por lo que las máquinas son más durables. El aumento de la temperatura inicial (fuente caliente del ciclo ) eleva el rendimiento desde el punto de vista termodinámico, lo cual redunda en aumento de rendimiento real. Como el volumen específico del vapor es mucho menor, requiere secciones de paso menores y por ello las máquinas son mas pequeñas y compactas. on instalaciones a gran presión (por ejemplo 0 atm.) y elevadas temperaturas (por ejemplo, 60ºC) En estos casos los generadores de vapor son de tipo radiante y de circulación forzada, con el requisito de emplear materiales mecánica y térmicamente más resistentes lo que redunda en un mayor costo inicial por unidad de potencia instalada. Por otra parte, en algunos casos por el tipo de ciclo, se hacen innecesarios los economizadores y en otros casos, los generadores de vapor no tienen que aportar el calor latente de vaporización. Los ciclos posibles son como se muestra en estos diagramas ideales: Donde se puede ver que hay casos, como el segundo y el tercero, en los que en ningún momento se produce condensación, trabajando la instalación prácticamente como si fuera una turbina de gas en ciclo cerrado. Capítulo 7 8

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