Tecnología de Fluidos y Calor

Transcripción

1 ecnología de Fluidos y Calor Ciclos de potencia Ingeniería écnica Industrial.Especialidad Electrónica Escuela Universitaria Politécnica Universidad de evilla º principio: Máquina térmica cedido η cedido < Rendimiento máximo ransformación reversible η ced ab cesión absorción d d δ d η máx - Absorción de, a máxima posible - Cesión de, a la mínima posible - Cerramos el ciclo con adiabáticas Ciclo de Carnot

2 Rendimiento máximo teórico Ciclo de Carnot P abs máx máx ces mín V mín Compresión adiabática reversible (Δ 0) Expansión isotérmica con absorción de Expansión adiabática Compresión isotérmica con cesión de η ced ab d d mín máx ( ( ) ) mín máx η Carnot cesión absorción Los procesos con intercambio de a constante, son difíciles de controlar, sin embargo, se producen de forma natural en los cambios de fase, Una forma de aproximarse al ciclo de Carnot es mediante los máx mín Curva de saturación p evaporación p condensación ciclos de vapor Absorción de a la y p de evaporación Cesión de a la y p de condensación El ciclo de Carnot de vapor no es ejecutable en la práctica porque no es posible realizar la compresión de una mezcla bifásica Compresión de vapor Compresores Compresión de líquidos Bombas

3 Modificación práctica del ciclo de Carnot: Ciclo de Rankine -La compresión se realiza en la zona de líquido - Los intercambios de calor se realizan a pcte (en vez de a cte) Es el ciclo práctico ideal de producción de potencia p evaporación a Compresión adiabática (líquido) hasta p evaporación Absorción de a pcte Líquido Vapor (Δ + evaporación) Expansión adiabática p condensación hasta p condensación Cesión de a pcte, condensación hasta líquido saturado 5 Rendimiento del ciclo Rankine η Rankine < η Carnot que opera entre las mismas máx y mín máx a η ced ab d d cesión absorción mín iendo la temperatura media: d Δ d Δ El η del ciclo real será menor como consecuencia de las irreversibilidades η real < η Rankine < η Carnot 6

4 Esquema de la instalación absorción El fluido de trabajo utilizado es el agua Caldera urbina t p a Líquido Vapor b Bomba Condensador cedido p condensador urbina: el vapor entra con alto contenido energético (p y elevadas) y se expande, de forma adiabática, realizando trabajo. Condensador: el fluido cede calor hasta pasar al estado de líquido saturado Bomba: lo comprime,hasta la presión de Caldera: el fluido absorbe calor, aumenta su hasta la saturación y se evapora 7 Ciclo cerrado ratar agua p condensador < p atmosférica El título (fracción del vapor), a la salida de la turbina debe ser: x 0,9 para evitar corrosión de los álabes de la turbina 8

5 Limitaciones del ciclo de Rankine de vapor de agua máx < crítica 75 ºC La p está limitada por el título, x >0,9 La p condensador está limitada por el valor de la ambiente ~ 0ºC, a la que tiene que ceder Líquido c a a p p condensador Vapor 9 Mejoras del ciclo de Rankine Ciclo de Rankine con sobrecalentamiento Después de llegar a vapor saturado se sigue calentando, sobrecal > η condensador η sobre > η Mejora el título del vapor en la turbina permite operar a p mayores η neto urbina Bomba absorción cesión 0

6 Mejoras del ciclo de Rankine Ciclo de Rankine con recalentamiento ras una expasión, en un º cuerpo de turbina, el vapor se lleva de nuevo a la y se recalienta, pasando luego a º cuerpo de turbina η + B condensador + + B η 6 Aumento de neto, abs, ces i aumenta, aumenta el η Además mejora el título del vapor Posibilidad de operar con de p mayor mayor η Mejoras del ciclo de Rankine: Ciclo de Rankine regenerativo Expansión sangrado (y) al calentador regenerativo se eleva la del agua de alimentación la (-y) se expande en º cuerpo de turbina disminuye ª cuerpo de turbina de menor tamaño η + B condensador

7 Cogeneración η + B B proceso Ind. Papelera, agroalimentaria, calefacción de distrito, etc. Ciclos de potencia Vapor Gas Ciclo Rankine urbina de gas Motores alternativos combustión interna Ciclo de Brayton Ciclo de Otto Ciclo Ericsson Ciclo Diesel Ciclo de tirling

8 Centrales térmicas con turbina de gas No hay cambio de estado ipo abierto (p entrada p salida p atmosférica ) abs p máx p mín η neto ced comp Potencia desarrollada menor que en ciclos de vapor Bajo peso empleo en automoción 5 ipo cerrado (energía transferida desde el exterior) abs p máx p mín ced neto comp η 6

9 Encendido Por chispa Por compresión La mezcla aire-combustible se enciende via bujía Combustión espontánea al introducir combustible a P, altas Ciclo de Otto Ciclo Diesel 7 Refrigeración por compresión de vapor f f Máquina frigorífica c Ciclo de refrigeración Ciclo de Rankine inverso La expansión se realiza mediante una válvula de expansión (en vez de turbina) c s - e Foco caliente c Compresor Condensador Líquido Vapor Válvula de expansión c C O P f neto c f f f c f Evaporador f Foco frío 8

10 Bomba de calor por compresión de vapor El objetivo es transferir calor del ambiente, e, a la vivienda, s. Para ello será necesario aportar trabajo f e Bomba de calor s c s - e C O P s neto s s e c c f 9