TEMA 4. TERMODINÁMICA APLICADA A MÁQUINAS TÉRMICAS

Transcripción

1 EMA. ERMODINÁMIA APLIADA A MÁUINAS ÉRMIAS

2 Índice.. Definición y laificación de Máquina érmica.. iclo de Motore Rotativo.. Modificacione del ciclo Rankine.. Modificacione del ciclo Brayton.5. iclo de Motore Alternativo.6. iclo de Refrigeración

4 . Definición de Máquina érmica Máquina érmica: aquella capaz de tranformar calor en trabajo o vicevera Motor érmico Máquina Frigorífica FOO ALIENE FOO ALIENE iclo iclo FOO FRÍO FOO FRÍO Rendimiento érmico del ciclo NEO OAL _ APORADO PRODUIDO ABSORBIDO ONSUMIDO oeficiente de Operación [.] Efecto refrigeran te E [.] rabajo conumido

5 . Definición de Máquina érmica Motore térmico: ipo En función del agente de tranformación: a) Máquina de ga: el agente de tranformación (ga) no cambia de etado durante el ciclo. b) Máquina de vapor: el agente de tranformación (vapor) cambia de etado durante el ciclo. En función del lugar de obtención del calor: a) Máquina de combutión externa. b) Máquina de combutión interna. En función del tipo de movimiento obtenido: a) Motore rotativo: giro de un eje. b) Motore alternativo: cilindro-pitón. ERMOENIA: urbina de vapor: motor de combutión externa, de vapor y rotativo. urbina de ga: motor de combutión interna, de ga y rotativo Motore alternativo: motor de combutión interna, de ga y cilindro-pitón 5

6 Índice.. Definición y laificación de Máquina érmica.. iclo de Motore Rotativo.. Modificacione del ciclo Rankine.. Modificacione del ciclo Brayton.5. iclo de Motore Alternativo.6. iclo de Refrigeración 6

7 . iclo de Motore Rotativo Motor Rotativo: Generan movimiento de giro de un eje Aplicación: indutria aeroepacial, planta de generación de potencia urbina de Vapor ombutión externa A: agua urbina de ga ombutión interna A: gae de combutión iclo Rankine iclo Brayton 7

8 . iclo de Motore Rotativo.. iclo Rankine ideal ZONA A: iclo termodinámico del A. ranformación de la entalpía del imenea A D vapor en energía cinética en del eje de la turbina (). ZONA B: Foco caliente. Generación Vapor de agua urbina Generador eléctrico de calor. ZONA : Foco frío. ondenación del vapor aliente de la turbina. ZONA D: Obtención de energía eléctrica. ranformación del trabajo mecánico producido en la turbina en B aldera Aire ombutible Agua líquida Agua de refrigeración orre de refrigeración energía eléctrica mediante un generador. Equema de una central térmica de vapor 8

9 . iclo de Motore Rotativo.. iclo Rankine ideal Equema de una central térmica de vapor 9

10 . iclo de Motore Rotativo.. iclo Rankine ideal P P a B R P R B v B Supoicione: Diagrama de bloque ciclo Rankine odo lo proceo on reverible B Sin pérdida de preión en la circulación del A aldera y condenador a P = Pcte P P a urbina y bomba adiabático (+ reverible) ioentrópico R v B a R P P 0

11 . iclo de Motore Rotativo.. iclo Rankine ideal Rendimiento érmico de iclo: P a Etapa : expanión del vapor en la turbina Entrada a la turbina: vapor aturado eco Salida de la turbina: vapor úmedo B P Proceo: expanión ioentrópica con generación de trabajo Principio de conervación de energía: v R V V g 0 z z (J/kg) ( 0) [.]

12 . iclo de Motore Rotativo.. iclo Rankine ideal Rendimiento érmico de iclo: Etapa : condenador del vapor úmedo en el condenador P Entrada al condenador: vapor úmedo a Salida del condenador: líquido aturado B R P Proceo: extracción de calor R a preión contante Principio de conervación de energía: v V V g 0 z z (J/kg) ( 0) R [.]

13 . iclo de Motore Rotativo.. iclo Rankine ideal Rendimiento érmico de iclo: B P a R P v Etapa : compreión del condenado en la bomba Entrada a la bomba: líquido aturado Salida de la bomba: líquido ubenfriado a la preión de la caldera Proceo: compreión ioentrópica con generación de trabajo por la bomba B Principio de conervación de energía: ( 0) B [.5] oniderando la compreión del líquido: B vdp v p p [.6]

14 . iclo de Motore Rotativo.. iclo Rankine ideal Rendimiento érmico de iclo: Etapa : calentamiento en la caldera a P Entrada a la caldera: líquido ubenfriado Salida de la caldera: vapor aturado eco B R P Proceo: aporte de calor a preión contante Principio de conervación de energía: v ( 0) [.7]

15 5. iclo de Motore Rotativo.. iclo Rankine ideal Rendimiento érmico de iclo: v R B a P P B RANKINE [.8] rabajo neto realizado en un ciclo 0 E R B R R RANKINE [.9] Relación de trabajo R B [.] R RANKINE ) ( ) ( Aplicando º Principio de la ermodinámica [.0]

16 . iclo de Motore Rotativo.. iclo Rankine ideal omparación con el ciclo de arnot a iclo de Rankine: a a P iclo de arnot: a B P R R v iclo de arnot: proceo iotermo + adiabático ARNO ' a RANKINE a 6 > η ARNO > η RANKINE

17 . iclo de Motore Rotativo.. iclo Rankine ideal Irreveribilidade y Pérdida: Deviacione del ciclo de Rankine ideal: a) Pérdida de energía en el condenador y la caldera por ceión de calor al exterior b) Pérdida de energía por rozamiento del fluido en el condenador, caldera y tubería c) Irreveribilidade en la turbina y en la bomba o Proceo no adiabático o Pérdida de energía por rozamiento a V S ' [.] ' B B B ' [.] ' 7

18 . iclo de Motore Rotativo.. iclo Brayton ideal urbina de vapor (550 º) urbina de ga ( º) Rendimiento máximo Rendimiento real 65 % 0-5 % 8 % 6 % cámara de combutión ombutible Intercambiador de calor N N Aire ompreor urbina Producto combutión Intercambiador de calor R iclo abierto iclo cerrado 8

19 . iclo de Motore Rotativo.. iclo Brayton ideal 9

20 . iclo de Motore Rotativo.. iclo Brayton ideal iclo abierto Inconveniente: el agente de tranformación cambia de compoición Análii de aire etándar El aire e comporta como ga ideal y in cambio de compoición El calor de la combutión procede de una fuente externa caliente El aire retorna al etado inicial por ceión de calor al ambiente 0

21 . iclo de Motore Rotativo.. iclo Brayton ideal p p = p Intercambiador de calor = p = p = N R v Intercambiador p de calor p = p R Supoicione: odo lo proceo on reverible Sin pérdida de preión en la circulación del A ambiadore a P = cte = urbina y compreor adiabático ioentrópico p = p R = v p = p = p = p R =

22 . iclo de Motore Rotativo.. iclo Brayton ideal Rendimiento érmico de iclo: BRAYON [. ] Relación de rabajo: R [. 5] Relación de trabajo (R) urbina de vapor - % urbina de ga 0-80 %

23 . iclo de Motore Rotativo.. iclo Brayton ideal Análii de Aire Etándar Frío: [.6] Se upone P y V = cte = cte p p p p ompreión adiabática y reverible: [.7]

24 . iclo de Motore Rotativo.. iclo Brayton ideal Irreveribilidade y Pérdida: Análogo a lo decrito para ciclo de urbina de Vapor ' p= cte ' p= cte = cte ' ' G [.8] = cte p= cte ' = cte p= cte ' [.9] Irreveribilidade en turbina y compreor Irreveribilidade en turbina y compreor + pérdida de preión en cambiadore de calor

26 . Modificacione del ciclo Rankine B RANKINE [.8] [.0] RANKINE Modificacione para aumentar la eficiencia térmica del ciclo: A. Aumento de P ALDERA B. Diminución de P ONDENSADOR a' ' a' ' a a Problema: a a ' ' ' ' ' ' ' ' X < X problema de funcionamiento de la turbina Requiito práctico: X > 90 % 6

27 . Modificacione del ciclo Rankine RANKINE B [.8] [.0] RANKINE Modificacione para aumentar la potencia y/o eficiencia térmica del ciclo: Requiito práctico: X > 90 % Aumento de η limitado mediante lo procedimiento a y b.. Sobrecalentamiento (o recalentamiento) D. Recalentamiento intermedio E. Regeneración 7

28 . Modificacione del ciclo Rankine. Sobrecalentamiento (o recalentamiento) Obtención de vapor recalentado en la caldera a temperatura uperior a la de aturación. a ' ' x < 0,90 < x 8

29 . Modificacione del ciclo Rankine D. Recalentamiento intermedio Vapor obrecalentado e expande parcialmente en una primera etapa de la turbina, e recalienta y e vuelve a expandir en una egunda etapa de la turbina. Ventaja aldera B urbina urbina R ondenador Bomba Aumento del título del vapor a la alida de la turbina Mayor diferencia de preione entre la caldera y el condenador Limitacione Reitencia térmica y mecánica de lo materiale de contrucción 6 a ' x < 0,90 < x ' ' B [.0] 9

30 . Modificacione del ciclo Rankine E. Regeneración Aumento de la temperatura de trabajo de la caldera mediante precalentamiento del agua líquida que e introduce en la mima con parte del vapor de la turbina. E. ambiadore abierto ontacto directo de la corriente fría y caliente B 7 B y -y y -y 5 5 R B B R 7' 7 5 a 7 7' a 7 6 0

31 . Modificacione del ciclo Rankine E. Regeneración Aumento de la temperatura de trabajo de la caldera mediante precalentamiento del agua líquida que e introduce en la mima con parte del vapor de la turbina. E. ambiadore abierto B B [.] B 7 6 y -y 5 B R rabajo del ciclo m a 7 ( ) ( y) 7' 7 ( 6 ) 5 B ( y 5 B 6 ( ) 7 Balance de energía en calentador 6 m y m( y) 5 ) Intercambio de calor R 7 ( ) ( y )

32 . Modificacione del ciclo Rankine E. Regeneración E. ambiadore cerrado Sin contacto directo de la corriente fría y caliente (cambiador de carcaa y tubo) OPIÓN. Bombeo a caldera 7 B 6 y (-y) R B B

33 . Modificacione del ciclo Rankine E. Regeneración E. ambiadore cerrado Sin contacto directo de la corriente fría y caliente (cambiador de carcaa y tubo) OPIÓN. Bombeo a caldera 7 B 6 y (-y) 5 B B B ( ) ( y) ( ) B 5 ( y ( ) B 6 7 ( y ) ) [.] B 9 8 B R ( ) B 8 9 ( y ) y y 7 9

34 . Modificacione del ciclo Rankine E. Regeneración E. ambiadore cerrado Sin contacto directo de la corriente fría y caliente (cambiador de carcaa y tubo) OPIÓN. Envío a condenador 7 B 6 y (-y) 5 B R 9 9

35 . Modificacione del ciclo Rankine E. Regeneración E. ambiadore cerrado Sin contacto directo de la corriente fría y caliente (cambiador de carcaa y tubo) OPIÓN. Envío a condenador B B [.] 7 B 6 8 y (-y) 5 B 9 R ( ) ( y) B ( ) 5 B 6 ( ) 7 7 5

36 6. Modificacione del ciclo Rankine E. Regeneración E. ambiadore cerrado Sin contacto directo de la corriente fría y caliente (cambiador de carcaa y tubo) Balance de energía en calentador y m y m m y m [.]

37 Modificacione del ciclo Rankine 5 p 5 p 7 8 R ambiadore múltiple 0 p 8 p 9 p p 5 p 6 7 p 5 p p 8 p p p p p 9 p 5 p 5 p 5 p 5 p p >p >p >p >p >p >p p 6 7 p 5 p 7 p R 9 p 5 p p p p p p 5 p 6 p 7 p 7 p p p 5

39 . Modificacione del ciclo Brayton A. Regeneración Objetivo: diminuir Requiito: > (a) R x x y y c x x reg [.5] REG ~ 75% 9

40 . Modificacione del ciclo Brayton B. Recalentamiento Objetivo: Aumentar a b b (a) a R a b [.6] (b) no neceariamente aumenta Mayor potencial de regeneración 0

41 . Modificacione del ciclo Brayton. ompreión con refrigeración Objetivo: Diminir (aunque aumenta ) R c d d c p ' R [.7] m vdp z c d no neceariamente aumenta Mayor potencial de regeneración v

43 .5 iclo de Motore Alternativo Motor Alternativo: Generan movimiento cilindro-pitón ombutión interna Agente de ranformación (A): gae de combutión Aplicación: automoción, planta de generación de potencia (cogeneración).5. iclo Otto.5. iclo Dieel

44 .5 iclo de Motore Alternativo.5. iclo Otto Bujía V. Admiión V. Ecape Mezcla Gae de combutión (A..) P v 0 0. arrera de apiración. arrera de compreión. alentamiento intantáneo. arrera de expanión. Diipación de calor reidual 0. arrera de expulión

45 .5 iclo de Motore Alternativo.5. iclo Otto Rendimiento érmico del ciclo Supoicione: NEO OAL _ APORADO PRODUIDO ABSORBIDO ONSUMIDO 0 A no cambia de compoición en todo el ciclo y e un ga ideal (aire) Etapa de apiración y expulión: a preión atmoférica y en entido opueto e anulan Etapa de compreión y expanión adiabática y reverible ioentrópica Etapa de aporte y eliminación de calor iocora [.8] OO EXP OMP ABS ED ABS ABS ED ABS [.9] E 0 5

46 .5 iclo de Motore Alternativo.5. iclo Otto Rendimiento érmico del ciclo ED OO [.] ABS ABS ED V V ( ) ( ( ) ( 0) (J / kg) 0) (J / kg) [.0] [. ] [.] OO Etapa de compreión y expanión adiabática: V V V V Etapa de calentamiento y diipación de calor iocora: V V V V [.] Relación OO OO V V de compreión [.] V V [.5] 6

47 .5 iclo de Motore Alternativo.5. iclo Dieel Inyector Aire Gae de combutión (A..) 0 0 P 0 v p = cte v = cte 0 0. arrera de apiración. arrera de compreión. alentamiento intantáneo. arrera de expanión. Diipación de calor reidual 0. arrera de expulión 7

48 Supoicione:.5 iclo de Motore Alternativo.5. iclo Dieel Rendimiento érmico del ciclo NEO OAL _ APORADO PRODUIDO ABSORBIDO ONSUMIDO A no cambia de compoición en todo el ciclo y e un ga ideal (aire) Etapa de apiración y expulión: a preión atmoférica y en entido opueto e anulan Etapa de compreión y expanión adiabática y reverible ioentrópica Etapa de aporte y eliminación de calor iobara e iocora, repectivamente [.] p = cte v = cte 0 DIESEL EXP OMP ABS ED ABS ABS ED ABS E 0 8

49 .5 iclo de Motore Alternativo.5. iclo Dieel Rendimiento érmico del ciclo ED ABS P V ( ) ( ( ) ( 0) (J / kg) 0) (J / kg) [.] [.6] V DIESEL [.7] P Relación de combutión: Relación de compreión: V V V V V P DIESEL [.8] 9

51 .6 iclo de Refrigeración.6. iclo de Refrigeración por ompreión de Vapor S ondenador Válvula de expanión Evaporador F iclo ideal E Etapa. ompreión ioentrópica del refrigerante Etapa. ondenación y enfriamiento del refrigerante a preión contante Etapa. Etrangulación o expanión ioentálpica en la válvula Etapa. Evaporación del refrigerante a preión contante iclo ideal: --- Irreveribilidade en compreor:

52 .6 iclo de Refrigeración.6. iclo de Refrigeración por ompreión de Vapor oeficiente de Operación Efecto refrigeran te E [.9] rabajo conumido Irreveribilidade en ompreor F S - - ' [.0] iclo ideal: --- Irreveribilidade en compreor: - -- Refrigerante: derivado alogenado de idrocarburo (F, F, etc.) 5

53 .6 iclo de Refrigeración.6. iclo de Refrigeración por Aborción Fuente de alta temperatura S G Generador Refrigerante Amoníaco Agua Diolvente Agua Bromuro de litio Válvula ondenador Solución pobre Válvula Aborbedor c Bomba Solución rica b B Evaporador a E Región refrigerada Agua de refrigeración 5

54 .6 iclo de Refrigeración.6. iclo de Brayton Invertido FOO ALIENE S F E FOO FRÍO F Refrigerante: aire oeficiente de Operación E - [. ] 5

55 Bibliografía.- Fundamento de termodinámica técnica. M. J. Morán y H. N. Sapiro. Editorial Reverté, Barcelona, ermotecnia báica para ingeniero químico. A. de Luca. Edicione de la Univeridad de atilla La Manca,