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Ingeniería Térmica Tema 3. Máquinas Térmicas II 3º Ingeniero en Organización Industrial

3. Ciclos de vapor y gas

1. INTRODUCCIÓN

2. CICLO DE RANKINE

3. CICLO DE BRAYTON


1. Introducción

Motor Rotativo:

• Generan movimiento de giro de un eje

• Aplicación: industria aeroespacial, plantas de generación de potencia

Turbinas de Vapor Turbinas de gas

• Combustión externa

• Agente Transf.: agua

• Combustión interna

• A.T.: gases de combustión

Ciclo Rankine Ciclo Brayton


2. Ciclo de Rankine

Esquema de una central térmica de vapor

Generadoreléctrico

Turbina

Caldera

AireCombustible

Vapor deagua

Agualíquida

Chimenea

Agua de refrigeración

Torrede

refrigeración

A D

C

B

ZONA B: Foco caliente.

Generación de calor.

ZONA A: Ciclo termodinámico del

agente de transformación (AT).

Transformación de la entalpía del

vapor en energía cinética en del

eje de la turbina (W).

ZONA C: Foco frío. Condensación

del vapor saliente de la turbina.

ZONA D: Obtención de energía

eléctrica. Transformación del

trabajo mecánico producido en la

turbina en energía eléctrica

mediante un generador.

CICLO RANKINE


2. Ciclo de Rankine

CICLO RANKINE IDEAL

QC

(-QR)

(-WB)

WT

Suposiciones:

• Todos los procesos son reversibles

• Sin pérdidas de presión en la circulación del AT

• Caldera y condensador a P = cte

• Turbina y bomba adiabáticos (+ reversible)

isoentrópicos

1

23

4a

QR

QC

WTWB

P

v

P1

P2

T1

T2

1

23

4

QR

QC

WT

WB

T

s

a

P1

P2

T1

T2

1

23

4a

QR

QC

WTWB

P

v

P1

P2

T1

T2

1

23

4

QR

QC

WT

WB

T

s

a

P1

P2

T1

T2

Diagrama de bloques ciclo Rankine


2. Ciclo de Rankine

Rendimiento Térmico de Ciclo:

1

23

4a

QR

QC

WTWB

P

v

P1

P2

T1

T2

1

23

4

QR

QC

WT

WB

T

s

a

P1

P2

T1

T2

• Etapa 1→2: expansión del vapor en la turbina

Entrada a la turbina: vapor saturado seco

Salida de la turbina: vapor húmedo

Proceso: expansión isoentrópica con generación de trabajo WT

Principio de conservación de energía:

(J/kg) 2

0 21

2

2

2

121

zzg

VVhhWQ

21 hhWT [6.3]

CICLO RANKINE IDEAL


2. Ciclo de Rankine


1

23

4a

QR

QC

WTWB

P

v

P1

P2

T1

T2

1

23

4

QR

QC

WT

WB

T

s

a

P1

P2

T1

T2

• Etapa 2→3: condensador del vapor húmedo en el

condensador

Entrada al condensador: vapor húmedo

Salida del condensador: líquido saturado

Proceso: extracción de calor QR a presión constante


(J/kg) 2

0 32

2

3

2

232

zzg

VVhhWQ

32 hhQR [6.4]

CICLO RANKINE IDEAL


2. Ciclo de Rankine

1

23

4a

QR

QC

WTWB

P

v

P1

P2

T1

T2

1

23

4

QR

QC

WT

WB

T

s

a

P1

P2

T1

T2

• Etapa 3→4: compresión del condensado en la bomba

Entrada a la bomba: líquido saturado

Salida de la bomba: líquido subenfriado a la presión de la caldera

Proceso: compresión isoentrópica con generación de trabajo por la

bomba WB


34 hhWB [6.5]

343

4

3

ppvvdpWB

Considerando la compresión del líquido:

[6.6]

CICLO RANKINE IDEAL



2. Ciclo de Rankine


1

23

4a

QR

QC

WTWB

P

v

P1

P2

T1

T2

1

23

4

QR

QC

WT

WB

T

s

a

P1

P2

T1

T2

• Etapa 4→1: calentamiento en la caldera

Entrada a la caldera: líquido subenfriado

Salida del condensador: vapor saturado seco

Proceso: aporte de calor QC a presión constante


41 hhQC [6.7]

CICLO RANKINE IDEAL


2. Ciclo de Rankine


1

23

4a

QR

QC

WTWB

P

v

P1

P2

T1

T2

1

23

4

QR

QC

WT

WB

T

s

a

P1

P2

T1

T2

)(

)()(

41

3421

hh

hhhh

Q

WW

C

BTRANKINE

[6.8]

Trabajo neto realizado en un ciclo

0 WQE RCBT QQWW

41

3211)(

hh

hh

Q

Q

Q

QQ

C

R

C

RCRANKINE

[6.9]

Relación de trabajos

21

34

hh

hh

W

WRT

T

B

[6.11]

CCC

RRANKINE

T

T

ssT

ssT

Q

Q 2

41

322 1)(

)(11

Aplicando 2º Principio de la Termodinámica

[6.10]

CICLO RANKINE IDEAL


2. Ciclo de Rankine

Irreversibilidades y Pérdidas:

Desviaciones del ciclo de Rankine ideal:

a) Pérdidas de energía en el condensador y la caldera por cesión de calor al exterior

b) Pérdidas de energía por rozamiento del fluido en el condensador, caldera y tuberías

c) Irreversibilidades en la turbina y en la bomba

o Procesos no adiabáticos

o Pérdidas de energía por rozamiento

1

2'3

4

T

s

a

2

4'

21

'21

)( hh

hh

W

W

ST

TTV

3'4

34

B

SBB

hh

hh

W

)W(

[6.12]

[6.13]

CICLO RANKINE con NO IDEALIDADES


2. Ciclo de Rankine

Modificaciones para aumentar la eficiencia térmica del ciclo:

C

RANKINET

T21 [6.10]

C

BTRANKINE

Q

WW [6.8]

A. Aumento de P CALDERA

1'

2'3

4'

T

s

a'

4

a1

2 2'

3

4'

T

s

4

a 1

2

3’

B. Disminución de PCONDENSADOR

1'

2'3

4'

T

s

a'

4

a1

2 2'

3

4'

T

s

4

a 1

2

3’

Problema:

X 2’ < X2→ problemas de funcionamiento de la turbina

Requisito práctico:

X 2 > 90 %

MODIFICIACIONES DEL CICLO RANKINE


2. Ciclo de Rankine


Modificaciones para aumentar la potencia y/o eficiencia térmica del ciclo:

C

RANKINET

T21 [6.10]

Requisito práctico:

X 2 > 90 %

Aumento de η limitado mediante

los procedimientos A y B.

C. Sobrecalentamiento (o recalentamiento)

D. Recalentamiento intermedio

E. Regeneración

C

BTRANKINE

Q

WW [6.8]


2. Ciclo de Rankine


C. Sobrecalentamiento (o recalentamiento)

Obtención de vapor recalentado en la caldera a temperatura superior a la de saturación.

2'3

T

s

4

a

1'

2

1

x < 0,90 < x2 2’


2. Ciclo de Rankine


Vapor sobrecalentado se expande parcialmente en una primera etapa de la turbina, se

recalienta y se vuelve a expandir en una segunda etapa de la turbina.

2'

3

T

s

4

a

3'

2

1

x < 0,90 < x2 4’

4'

Turbina 1

QC1

WT1

Turbina 2WT2

Condensador

QR

Caldera

QC2

BombaWB

1

2’

3’ 2 4

3

5

4

6 5

6

Ventajas

• Aumento del título del vapor a la salida de la turbina

• Mayor diferencia de presiones entre la caldera y el condensador

Limitaciones

• Resistencia térmica y mecánica de los materiales de construcción

2C1C

B2T1T

QQ

WWW

[6.20]

D. Recalentamiento intermedio


2. Ciclo de Rankine


E. Regeneración

Aumento de la temperatura de trabajo de la caldera mediante precalentamiento del agua

líquida que se introduce en la misma con parte del vapor de la turbina.

E.1 Cambiadores abiertos

T

s

a

1 1

34

5

6

7

7'

1

2

34

5

6

7

a

7’

T

s

WB2

QC

QR

WT2

1

3

5

6

WB14

2

7

y 1-y

WT1

Contacto directo de las corrientes fría y caliente

T

s

a

1 1

34

5

6

7

7'

1

2

34

5

6

7

a

7’

T

s

WB2

QC

QR

WT2

1

3

5

6

WB14

2

7

y 1-y

WT1


2. Ciclo de Rankine


T

s

a

1 1

34

5

6

7

7'

1

2

34

5

6

7

a

7’

T

s

WB2

QC

QR

WT2

1

3

5

6

WB14

2

7

y 1-y

WT1

526 h)y1(mhymhm

211T hhW

)y1()hh(W 322T

)y1()hh(W 451B

)hh(W 672B

Balance de energía en calentador

Trabajos del ciclo

71C hhQ

)y1()hh(Q 43R

Intercambios de calor

C

BBTT

Q

WWWW 2121 [6.21]

E. Regeneración

Aumento de la temperatura de trabajo de la caldera mediante precalentamiento del agua

líquida que se introduce en la misma con parte del vapor de la turbina.

E.1 Cambiadores abiertos


2. Ciclo de Rankine


E. Regeneración

E.2 Cambiadores cerrados

Sin contacto directo de las corrientes fría y caliente (cambiador de carcasa y tubos)

OPCIÓN 1. Bombeo a caldera

1

2

3 4

5

6

7 8

9

T

s

QC

WT2

(-WB3)

(-WB2)

WT1

y

(1-y)

1

2

3

4 5

6

7

8

9

(-WB1)

(-QR)


2. Ciclo de Rankine


E. Regeneración



OPCIÓN 1. Bombeo a caldera

C

BBBTT

Q

WWWWW 32121

211T hhW )y1()hh(W 322T

)y1()hh(W 451B

)1()( 672 yhhWB

)()( 893 yhhWB

yhyhhQC 971 1)(

QC

WT2

(-WB3)

(-WB2)

WT1

y

(1-y)

1

2

3

4 5

6

7

8

9

(-WB1)

(-QR)

[6.22]


2. Ciclo de Rankine


E. Regeneración



OPCIÓN 2. Envío a condensador

1

2

3 4

5

6

7 8’

9’

T

QC

WT2

(-WB2)

WT1

y

(1-y)

1

2

3

4 5

6

7

8’

(-QR)

9’

(-WB1)


2. Ciclo de Rankine


OPCIÓN 2. Envío a condensador

C

BBTT

Q

WWWW 2121

211T hhW

)y1()hh(W 322T

)( 451 hhWB

)( 672 hhWB

71 hhQC

[6.23]

QC

WT2

(-WB2)

WT1

y

(1-y)

1

2

3

4 5

6

7

8’

(-QR)

9’

(-WB1)

E. Regeneración




E. Regeneración



Balance de energía en calentador

82

566852

hh

hhyhmhymhmhym

[6.24]

2. Ciclo de Rankine



Combinación de modificaciones

2. Ciclo de Rankine



Ejercicio Nº 1

El fluido de trabajo de un ciclo Rankine Ideal es vapor de agua. A la turbina entra vapor saturado a 8,0 MPa y del condensador sale líquido saturado a la presión de 0,008 MPa. La potencia neta obtenida es de 100 MW. Determínese para el ciclo:

a) Rendimiento térmico b) Relación de trabajos c) Flujo másico de vapor en kg/h d) Calor absorbido en el paso por caldera e) El calor cedido en el condensador

Utilícese tablas de vapor de agua

1

23

4a

QR

QC

WTWB

P

v

P1

P2

T1

T2

1

23

4

QR

QC

WT

WB

T

s

a

P1

P2

T1

T2


Turbinas de vapor (550 ºC)

Turbinas de gas (1000-1400 ºC)

Rendimiento máximo Rendimiento real

65 % 40-45%

83 % 62 %

cámara de

combustión

Aire Productos

combustión

Combustible

Compresor Turbina

WC WT

QC

WN

Intercambiador

de calor

WC WT

QC

QR

Intercambiador

de calor

WN

Ciclo abierto Ciclo cerrado

3. Ciclo de Brayton


3. Ciclo de Brayton


3. Ciclo de Brayton

Ciclo abierto

Inconveniente: el agente de transformación cambia de composición

Análisis de aire estándar

El aire se comporta como gas ideal y sin cambio de composición

El calor de la combustión procede de una fuente externa caliente

El aire retorna al estado inicial por cesión de calor al ambiente

CICLO DE BRAYTON IDEAL


3. Ciclo de Brayton

Intercambiador

de calor

WC WT

QC

QR

Intercambiador

de calor

WN

1

2 3

4

Suposiciones:

• Todos los procesos son reversibles

• Sin pérdidas de presión en la circulación del AT

• Cambiadores a P = cte

• Turbina y compresor adiabáticos isoentrópicos

1

2 3

4

s = s1 2

s = s3 4

p = p1 4

p = p2 3

QC

WT

WC

QR

p

v

1

2

3

4s = s1 2

s = s3 4

p = p1 4

p = p2 3

QC WT

WC

QR

T

s

1

2 3

4

s = s1 2

s = s3 4

p = p1 4

p = p2 3

QC

WT

WC

QR

p

v

1

2

3

4s = s1 2

s = s3 4

p = p1 4

p = p2 3

QC WT

WC

QR

T

s



3. Ciclo de Brayton



)(

)()()(

23

1243

hh

hhhh

Q

WW

C

CTBRAYTON

Relación de trabajos

(RT)

Turbinas de vapor

Turbinas de gas 40-80 %

1-3 %

43

12

hh

hh

W

WRT

T

C

[6. 15]

Relación de Trabajos:

[6. 14]


3. Ciclo de Brayton


Análisis de Aire Estándar Frío:

[6.16]

Se supone CP y CV= cte = cte

3

4

2

1 11T

T

T

T

1

1

22

1

p

p

11

T

T1

1

1

212

p

pTT

Compresión adiabática y reversible:

[6.17]


3. Ciclo de Brayton

Irreversibilidades y Pérdidas:

Análogo a lo descrito para ciclos de Turbinas de Vapor

Irreversibilidades en turbina

y compresor

Irreversibilidades en turbina y

compresor + pérdidas de presión

en cambiadores de calor

1

2

3

4

T

s

p= cte

p= ctes=ct

e

2'

4'

1

2

3

4

T

s

s=ct

e

2'4'

3'

s=ct

ep= cte

p= cte

43

43

hh

hh

W

W

sT

TTG

12

12

C

sC

Chh

hh

)W(

W

[6.18]

[6.19]


3. Ciclo de Brayton

MODIFICIACIONES DEL CICLO BRAYTON

A. Regeneración

Objetivo: disminuir QC Requisito: T4 > T2

xc hhQ 324

2

hh

hhxreg

REG ~ 75%

T

s

1

2

x

y

3

4

QC (-QR)

(-WC) WT

1 2

x

3

4

y

[6.25]


3. Ciclo de Brayton


Objetivo: Aumentar WT

1C1C

C1T1T

QQ

WWW

• no necesariamente aumenta

• Mayor potencial de regeneración

QC1

(-WC) WT2

1

2 a 3

4

b

QC2

WT2

T

s

1

2

a

b

3

4

[6.26]

B. Doble aporte de calor (combustión en doble etapa)


3. Ciclo de Brayton


C. Compresión con refrigeración

-QR1

(-QR2)

(-WC1)

WT

1

c 2 d

4

3

QC

(-WC2)

Objetivo: Disminir WC (aunque aumenta QC) T

1

2

3

4

d c

W m vdpC z12 1

cd

2'2

W m vdpC 1

2

p

v

1

c

d

22'

s

T

• no necesariamente aumenta

• Mayor potencial de regeneración

C

CCT

TQ

WWW )()( 21 [6.27]

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