Tema 3. Máquinas Térmicas II

Transcripción

1 Asignatura: Ingeniería érmica ema. Máquinas érmicas II. Motores Rotativos. Motores de Potencia (urbina) de Gas: Ciclo Brayton. Motores de Potencia (urbina) de Vaor: Ciclo Rankine Grado de Ingeniería de la Organización Industrial 05-06

2 ema. Ciclos de gas y vaor Motores érmicos Motores de Combustión Interna: en éstos, la combustión se realiza en el roio fluido motor, en una cámara interna del motor, y son los roios gases de la combustión los que, al exandirse, roducen los movimientos de las iezas del motor. En función del tio de movimiento roducido: Motores alternativos: el fluido motor actúa sobre istones que se deslazan subiendo y bajando en unos cilindros. Motores rotativos: el fluido motor actúa sobre istones rotantes o sobre álabes de turbinas. Motores de corro o de reacción: el fluido motor roduce el emuje or el rinciio de acción y reacción. Ingeniería érmica Bloque I. ermotecnia

3 ema. Ciclos de gas y vaor urbinas de Gas Características generales Es una lanta de otencia que roduce gran cantidad de energía con oco eso y tamaño. Funcionan con una gran variedad de combustibles: gas natural, diesel, nata, metano, gasóleos vaorizados y gases de biomasa. En los últimos años se uso se a multilicado como consecuencia de: Mejora de los materiales y el roceso de refrigeración. Incremento de las temeraturas y de las relaciones de comresión Aumento del rendimiento (5 5 %) Sus rinciales alicaciones son: Proulsión (aérea, marítima y terrestre): los gases de escae de alta velocidad roorcionan imulso a las naves. Generación de energía eléctrica: funcionan de manera indeendiente o en conjunto con las centrales eléctricas de vaor donde los gases de escae de las turbinas de gas sirven como fuente de calor ara el vaor. Ingeniería érmica Bloque I. ermotecnia

4 ema. Ciclos de gas y vaor Ciclo Brayton: Ideal ara motores de turbina de gas Motor de turbina de gas de ciclo abierto Motor de turbina de gas de ciclo cerrado Los cuatro rocesos del ciclo Brayton se ejecutan en disositivos de flujo estacionario, or lo tanto deben analizarse como rocesos de flujo estacionario, utilizando las consideraciones de aire estándar. Suosiciones de aire estándar Fluido: aire como gas ideal La combustión se trata como una absorción calorífica. No ay admisión ni escae. No ay irreversibilidades. Ingeniería érmica Bloque I. ermotecnia

5 ema. Ciclos de gas y vaor Ciclo Brayton: Ideal ara motores de turbina de gas Ingeniería érmica Bloque I. ermotecnia

6 (()()ema. Ciclos de gas y vaor Cuatro rocesos reversibles internamente: w C > 0 qin ( > 0) ( kj / kg) w < 0 kj / kg )qout ( < 0) ( kj / kg) - Comresión isoentróica (en un comresor) )- Adición de calor a resión constante - Exansión isoentróica (en una turbina) - Recazo de calor a resión constante (kj / kg Ciclo Brayton Ingeniería érmica Bloque I. ermotecnia

7 ema. Ciclos de gas y vaor ( ) ( ) in out in out q q w w + ( ) in q C ( ) out q C net out Brayton in in w q q q η Ciclo Brayton ) ( ) ( c c η () () () () Para un flujo estacionario:

8 ema. Ciclos de gas y vaor Ciclo Brayton η () y () en () Brayton Definimos una nueva magnitud r Relación de resión r η Brayton r C C P V Relación de trabajos R w C ( w ) Ingeniería érmica Bloque I. ermotecnia

9 ema. Ciclos de gas y vaor urbinas de Gas La temeratura más alta en el ciclo está limitada or la temeratura máxima que los álabes de la turbina ueden resistir, lo cual limita la relación de resiones que uedan utilizarse en el ciclo y or ende, su rendimiento. Para una temeratura máxima fija, el trabajo neto or ciclo aumenta con la relación de resiones asta cierto valor a artir del cual, emieza a disminuir. Debe existir un comromiso entre la relación de resiones (eficiencia térmica) y la salida neta de trabajo. Comúnmente la relación de resiones en turbinas de gas varía entre y 6. Proulsión marítima: Utilizan sistemas combinados de diesel y turbinas de gas. El diesel ara roorcionar de manera eficiente baja otencia y oeración de crucero, mientras que la turbina se emlea cuando se necesitan altas velocidades. Centrales eléctricas: En estas centrales, la relación de trabajo de retroceso es muy alta (más de la mitad de la salida de trabajo de la turbina se utiliza ara activar el comresor). Se requieren turbinas de gas muy grandes ara la energía adicional que demanda el comresor. Ingeniería érmica Bloque I. ermotecnia

10 ema. Ciclos de gas y vaor urbinas de Gas Desarrollo de las turbinas de gas. Incrementar las temeraturas de entrada de la turbina ( o de quemado): Desarrollo de nuevos materiales, revestimiento de lo álabes con materiales cerámicos.. Incrementar la eficiencia de los comonentes de turbomaquinaria. Desarrollo en el diseño aerodinámico de turbinas y comresores. Disminuir irreversibilidades.. Adición de modificaciones al ciclo básico. Incororar interenfriamiento, regeneración ( o recueración) y recalentamiento. Ingeniería érmica Bloque I. ermotecnia

11 ema. Ciclos de gas y vaor urbinas de Gas Desviación de los ciclos reales de turbina de gas en comaración con los idealizados Irreversibilidades y Pérdidas Irreversibilidades en turbina y comresor La entrada de trabajo real al comresor será mayor y la salida de trabajo real de la turbina será menor. η C w w s a s a η w w a s a s Pérdidas de resión durante la adición y recazo de calor En los cambiadores de calor se roducen érdidas de resión. Ingeniería érmica Bloque I. ermotecnia

12 ema. Ciclos de gas y vaor Ciclo Brayton con regeneración Objetivo: disminuir q in q c Requisito: > qin qc 5 q regen, real 5 q regen, max 5 ε regen q q regen, real regen,max 5 Eficacia o efectividad Bajo suosiciones de aire estándar ε regen 5 ε regen 5 Un regenerador con una eficacia más alta aorrará combustible al recalentar el aire antes de la combustión. η regen ( r ) Ingeniería érmica Bloque I. ermotecnia

13 ema. Ciclos de gas y vaor Ciclo Brayton con interenfriamiento, recalentamiento y regeneración El trabajo requerido ara comrimir un gas entre dos resiones esecíficas disminuye si dico roceso se realiza en múltiles etaas enfriando el gas entre éstas. Si el número de etaas N el roceso de comresión isotérmico. De forma análoga, el trabajo entregado or una turbina que oera entre dos resiones esecíficas aumenta al exandir el gas en múltiles etaas de recalentamiento. El trabajo de comresión o exansión de flujo estacionario es roorcional al volumen esecífico del fluido. Por lo tanto, el volumen esecífico del fluido de trabajo debe ser lo más bajo osible durante un roceso de comresión y lo más alto osible durante un roceso de exansión. Ingeniería érmica Bloque I. ermotecnia

14 ema. Ciclos de gas y vaor Ciclo Brayton con interenfriamiento, recalentamiento y regeneración Recalentamiento Interenfriamiento R ( ) wc + Regeneración η w Aumenta Ingeniería érmica Bloque I. ermotecnia