3. Ciclos de vapor y gas

Transcripción

1 . iclo de vapor y ga. INRODUIÓN. ILO DE RANKINE. ILO DE BRAYON Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

2 . Introducción Motor Rotativo: Generan movimiento de giro de un eje Aplicación: indutria aeroepacial, planta de generación de potencia urbina de Vapor ombutión externa Agente ranf.: agua urbina de ga ombutión interna A..: gae de combutión iclo Rankine iclo Brayton Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

3 . iclo de Rankine ILO RANKINE ZONA B: Foco caliente. Generación de calor. ZONA A: iclo termodinámico del agente de tranformación (A). ranformación de la entalpía del vapor en energía cinética en del eje de la turbina (W). 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 energía eléctrica mediante un generador. B imenea Vapor de agua aldera Aire ombutible A urbina Agua líquida Generador eléctrico Agua de refrigeración Equema de una central térmica de vapor D orre de refrigeración Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

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5 . iclo de Rankine ILO RANKINE IDEAL P W P W B a W W B P (-W B ) Diagrama de bloque P ciclo Rankine (- ) P v Supoicione: W odo lo proceo on reverible B Sin pérdida de preión en la circulación del A aldera y condenador a P = cte urbina y bomba adiabático (+ reverible) ioentrópico P a W v W B a W P Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

6 . iclo de Rankine ILO 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 W B W P Proceo: expanión ioentrópica con generación de trabajo W Principio de conervación de energía: v V V g 0 Q W z z (J/kg) W [6.] Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

7 . iclo de Rankine ILO RANKINE IDEAL Rendimiento érmico de iclo: Etapa : condenador del vapor úmedo en el P condenador a Entrada al condenador: vapor úmedo W B W P Salida del condenador: líquido aturado Proceo: extracción de calor a preión contante Principio de conervación de energía: v V V g 0 Q W z z (J/kg) [6.] Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

8 . iclo de Rankine ILO RANKINE IDEAL Rendimiento érmico de iclo: W B P a P W 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 W B Principio de conervación de energía: v [6.5] W B oniderando la compreión del líquido: vdp v p p W B [6.6] Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

9 . iclo de Rankine ILO RANKINE IDEAL Rendimiento érmico de iclo: Etapa : calentamiento en la caldera a P Entrada a la caldera: líquido ubenfriado Salida del condenador: vapor aturado eco v W B W P Proceo: aporte de calor a preión contante Principio de conervación de energía: [6.7] Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

10 Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial. iclo de Rankine Rendimiento érmico de iclo: v W W B a P P ) ( ) ( ) ( Q W W B RANKINE [6.8] rabajo neto realizado en un ciclo 0 W Q E R B Q Q W W ) ( Q Q Q Q Q R R RANKINE [6.9] Relación de trabajo W W R B [6.] R RANKINE Q Q ) ( ) ( Aplicando º Principio de la ermodinámica [6.0] ILO RANKINE IDEAL

11 . iclo de Rankine ILO RANKINE con NO IDEALIDADES 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 W ( W ) S ' [6.] ' B ( W ) B S WB ' [6.] ' Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

12 . iclo de Rankine MODIFIIAIONES DEL ILO RANKINE B RANKINE [6.8] Q W W [6.0] RANKINE Modificacione para aumentar la eficiencia térmica del ciclo: A. Aumento de P ALDERA B. Diminución de P ONDENSADOR a' ' a' ' a a a a ' ' ' ' ' ' ' ' Problema: Requiito práctico: X < X problema de funcionamiento de la turbina X > 90 % Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

13 . iclo de Rankine MODIFIIAIONES DEL ILO RANKINE W W B RANKINE [6.8] Q [6.0] 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 Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

14 . iclo de Rankine MODIFIIAIONES DEL ILO RANKINE. Sobrecalentamiento (o recalentamiento) Obtención de vapor recalentado en la caldera a temperatura uperior a la de aturación. a ' ' x < 0,90 < x Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

15 . iclo de Rankine MODIFIIAIONES DEL ILO 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 W B urbina urbina W W ondenador Bomba 6 a ' x < 0,90 < x 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 ' ' W W Q Q B [6.0] W Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

16 . iclo de Rankine MODIFIIAIONES DEL ILO 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 W B 7 6 W B 7 6 W W W W y -y 5 5 y -y W W B B 5 7' 7 7 a 6 7' 7 5 a 7 6 Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

17 . iclo de Rankine MODIFIIAIONES DEL ILO 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 W W W W B B [6.] Q W B 7 6 W W y -y 5 W B rabajo del ciclo W a 7 W ( ) ( y) 7' 7 ( 6 ) ( y) m WB 5 5 ( ) WB 7 6 Balance de energía en calentador Q 6 m y m ( y) 5 Intercambio de calor 7 ( ) ( y) QR Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

18 . iclo de Rankine MODIFIIAIONES DEL ILO RANKINE E. Regeneración E. ambiadore cerrado Sin contacto directo de la corriente fría y caliente (cambiador de carcaa y tubo) OPIÓN. Bombeo a caldera W W 7 (-W B ) 6 y (-y) (-W B ) 9 8 (-W B ) (- ) Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

19 . iclo de Rankine MODIFIIAIONES DEL ILO RANKINE E. Regeneración E. ambiadore cerrado Sin contacto directo de la corriente fría y caliente (cambiador de carcaa y tubo) OPIÓN. Bombeo a caldera 9 (-W B ) 7 (-W B ) 6 8 y W (-y) 5 (-W B ) [6.] W (- ) W W W W W W B B B Q W ( ) ( y) ( ) ( y) WB 5 ( ) 6 ( ) W B 7 y ( ) 8 ( ) W B 9 y y y ( 7) 9 Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

20 . iclo de Rankine MODIFIIAIONES DEL ILO RANKINE E. Regeneración E. ambiadore cerrado Sin contacto directo de la corriente fría y caliente (cambiador de carcaa y tubo) OPIÓN. Envío a condenador W W 7 (-W B ) 6 8 y (-y) 5 (-W B ) (- ) Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

21 . iclo de Rankine MODIFIIAIONES DEL ILO 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 (-W B ) y 6 8 W (-y) 5 (-W B ) W [6.] (- ) W W W W W B B W ( Q ) ( y) ) W B ( 5 ) W B ( Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

22 Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial 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 [6.]. iclo de Rankine MODIFIIAIONES DEL ILO RANKINE

23 . iclo de Rankine MODIFIIAIONES DEL ILO RANKINE ombinación de modificacione Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

24 Ejercicio Nº El fluido de trabajo de un ciclo Rankine Ideal e vapor de agua. A la turbina entra vapor aturado a 8,0 MPa y del condenador ale líquido aturado a la preión de 0,008 MPa. La potencia neta obtenida e de 00 MW. Determínee para el ciclo: a P a) Rendimiento térmico b) Relación de trabajo c) Flujo máico de vapor en kg/ d) alor aborbido en el pao por caldera e) El calor cedido en el condenador W Utilícee tabla de vapor de agua P W B Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

25 . iclo de Brayton Rendimiento máximo Rendimiento real urbina de vapor (550 º) 65 % 0-5% urbina de ga ( º) 8 % 6 % cámara de combutión ombutible Intercambiador de calor W N W N W W W W Aire ompreor urbina Producto combutión Intercambiador de calor iclo abierto iclo cerrado Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

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27 . iclo de Brayton Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

28 . iclo de Brayton ILO DE BRAYON 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 Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

29 . iclo de Brayton ILO DE BRAYON IDEAL p p = p W Intercambiador de calor W = p = p = W N W W W v Intercambiador p de calor p = p Supoicione: odo lo proceo on reverible Sin pérdida de preión en la circulación del A ambiadore a P = cte = urbina y compreor adiabático ioentrópico W p = p W = v W p = p = p = p = W Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

30 . iclo de Brayton ILO DE BRAYON IDEAL Rendimiento érmico de iclo: BRAYON W ( W Q ) ( ) ( ) ( ) [6. ] Relación de rabajo: R W W [6. 5] Relación de trabajo (R) urbina de vapor - % urbina de ga 0-80 % Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

31 Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial. iclo de Brayton ILO DE BRAYON IDEAL Análii de Aire Etándar Frío: [6.6] Se upone P y V = cte = cte p p p p ompreión adiabática y reverible: [6.7]

32 = cte = cte = cte. iclo de Brayton Irreveribilidade y Pérdida: Análogo a lo decrito para ciclo de urbina de Vapor ' p= cte ' p= cte ' ' G W W [6.8] p= cte ' p= cte W ( W ) [6.9] Irreveribilidade en turbina y compreor Irreveribilidade en turbina y compreor + pérdida de preión en cambiadore de calor Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

33 . iclo de Brayton MODIFIIAIONES DEL ILO BRAYON A. Regeneración Objetivo: diminuir Requiito: > (-W ) (- ) x W x y y Q c x x reg [6.5] REG ~ 75% Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

34 . iclo de Brayton MODIFIIAIONES DEL ILO BRAYON B. Doble aporte de calor (combutión en doble etapa) Objetivo: Aumentar W a b b a (-W ) W W W W Q Q W [6.6] no neceariamente aumenta Mayor potencial de regeneración Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

35 . iclo de Brayton MODIFIIAIONES DEL ILO BRAYON. ompreión con refrigeración Objetivo: Diminir W (aunque aumenta ) - c d d c (-W ) (-W ) W p ' (- ) W ( W ) ( W ) [6.7] Q W m vdp z c d no neceariamente aumenta v Mayor potencial de regeneración Ingeniería érmica ema. Máquina érmica II º Ingeniero en Organización Indutrial

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