ingeniería térmica p2

Ingeniera TrmicaPrctica de LaboratorioActuaciones en un ciclo de potencia mediante vapor (Rankine) y turbina de gas (Brayton)

Ingeniera Trmica

Prctica de Laboratorio Departamento de Ingeniera Trmica y de Fluidos

Actuaciones en un ciclo de potencia mediante vapor (Ciclo Rankine) y turbina de gas (Brayton)Reyes Rodrguez Snchez

Grupo 32Marta Moreno Garca-MorenoTeresa Muoz Hermosilla

NDICE

NDICE2CICLO DE RANKINE2APARTADO 13CONFIGURACIN 03CONFIGURACIN 15CONFIGURACIN 26APARTADO 28APARTADO 39APARTADO 49CICLO BRAYTON10APARTADO 110CONFIGURACIN 010CONFIGURACIN 112CONFIGURACIN 213APARTADO 215APARTADO 315

CICLO DE RANKINE

APARTADO 1

CONFIGURACIN 0

Las condiciones de diseo de la central son las siguientes:Presin de la caldera (MPa)15

Temperatura del vapor (C)565

Temperatura del condensador(C)45

Se pide:a) Obtener rendimiento del ciclo.Rendimiento de Carnot62.04%

Rendimiento de Rankine42.58%

b) Representar el diagrama T-s y diferenciar los puntos del ciclo.

1. Proceso 1-2s: Expansin isoentrpica (obtenemos trabajo en la turbina).2. Proceso 2s-3: Cesin de calor a presin constante.3. Proceso 3-4s: Compresin isoentrpica (aumento de presin en la bomba). No se distingue variacin alguna en el diagrama debido a que en esos puntos las lneas de presin estn muy juntas.4. Proceso 4s-1: Aporte de calor a presin constante.

c) Calcular el gasto msico necesario para obtener una potencia neta de la central de 300MW.

h1 (KJ/Kg)3489

h2(KJ/Kg)2075

h3(KJ/Kg)188.4

h4(KJ/Kg)203.5

CONFIGURACIN 1









h1 (KJ/Kg)3548

h2(KJ/Kg)2167

h3(KJ/Kg)188.4

h4(KJ/Kg)197.5

CONFIGURACIN 2









h1 (KJ/Kg)2884

h2(KJ/Kg)1812

h3(KJ/Kg)188.4

h4(KJ/Kg)203.5

APARTADO 2

Comparar las distintas configuraciones con el diseo de partida y sealar qu influencia tiene la presin y la temperatura sobre los apartados a, b y c del apartado anterior. Justificar con fundamentos tericos la respuesta.

En las configuraciones 0 y 1 podemos observar que slo vara la presin en la caldera, siendo mayor en la configuracin 0. Esto afecta a los distintos apartados de la siguiente forma:

a) En relacin con el rendimiento podemos observar que el rendimiento de Carnot permanece constante en ambas configuraciones, sin embargo, el rendimiento de Rankine aumenta al aumentar la presin. Esto se debe a que al aumentar la presin el agua tiene ms fuerza lo que provoca que se obtenga mayor potencia en la turbina y por lo tanto moviendo el mismo flujo de agua obtendremos ms energa.

b) Respecto a los diagramas T-s podemos ver que el de la configuracin 0 presenta mayor altura en la campana que el de la configuracin 1. Esto ocurre debido a que la representacin de las lneas de presin en el diagrama T-s son horizontales dentro de la campana, lo que implica que cuanto mayor sea la presin en el tramo 4s-1, ms alta estar la lnea que une ambos puntos.

c) Como he mencionado anteriormente, en la configuracin 0 al ser la presin mayor, para un mismo flujo de agua, se obtendr mayor potencia. Del mismo modo, para obtener una misma potencia ser necesario que el flujo de agua sea mayor en la de menor presin, es decir, en la configuracin 1 se necesitar un caudal de agua mayor. En relacin con los clculos realizados y los resultados obtenidos, vemos que se cumple.

Por otro lado, para sealar la influencia de la temperatura vamos a analizar las configuraciones 0 y 2:a) En relacin con los rendimientos vemos que varan tanto el rendimiento de Carnot como el de Rankine, siendo menores los rendimientos de la configuracin 2 (donde la temperatura de la caldera es menor). Es lgico que cuanto menos caliente est el agua menor ser el rendimiento. Esto se debe a que cuanto ms caliente est el agua, mayor ser su energa cintica (al aumentar la temperatura las partculas se mueven ms rpido) y por lo tanto mayor ser la energa que se transfiera a la turbina, provocando que se obtenga mayor potencia moviendo la misma cantidad de agua.

b) Respecto a los diagramas T-s podemos observar que en el diagrama de la configuracin 0 el punto 1 se encuentra en una posicin ms alta que en el diagrama de la configuracin 2 (eje vertical representa la temperatura). Esto se debe a que a la salida de la caldera (punto 1) la temperatura es ms alta en la configuracin 0 que en la configuracin 2.

c) Tal y como he mencionado anteriormente, cuanto mayor sea la temperatura mayor ser la potencia si el caudal es el mismo. Por lo tanto, para obtener una determinada potencia, sin variar las temperaturas de cada configuracin, ser necesario aumentar el flujo de agua en la configuracin de menor temperatura, es decir, el flujo de agua en la configuracin 2 tiene que ser mayor que en la configuracin 0. Esto se corresponde con los clculos realizados y con los resultados obtenidos.

APARTADO 3

Qu influencia tiene la temperatura de condensacin sobre el rendimiento del ciclo? Justificar la respuesta.

La bomba no va a trabajar igual si el agua le llega agua a 90C que si le llega agua 45C porque si el agua est a una temperatura media de trabajo cercana a su estado de vapor, es muy posible que haya parte de esa agua que est en estado gaseoso y la bomba solo trabaja con agua lquida, es decir, se obtiene mayor rendimiento si el agua es lquida. Por otro lado, lo mismo ocurre si enfriamos demasiado el agua, la bomba no trabaja bien con agua slida.

APARTADO 4

Conclusiones obtenidas tras la realizacin de la prctica. Respuesta breve y concisa.

Como podemos observar, a la hora de disear una central es necesario tener en cuenta multitud de factores que nos van a permitir obtener un mayor rendimiento dentro de nuestras circunstancias. De manera que, tenemos que intentar buscar un equilibrio entre los distintos parmetro termodinmicos para as obtener el mayor rendimiento.

CICLO BRAYTON

APARTADO 1

CONFIGURACIN 0

Las condiciones de diseo de la central son las siguientes:

Presin entrada compresor (bar)1

Temperatura entrada compresor (C)27

Temperatura entrada turbina (C)1127

Relacin de compresin en el compresor (-)10

Se pide:a) Obtener el rendimiento del ciclo.

Rendimiento de Carnot78.56%

Rendimiento de Brayton48.21%


c) La relacin de trabajos.Work-ratio58,61%

d) Potencia neta desarrollada.Net-power (Kw)396.9

e) Calcular el gasto msico necesario para obtener una potencia neta de la central de 3000 kW.

T1 (K)300

T2(K)579.3

T3(K)1400

T4(K)725.1

CONFIGURACIN 1










c) La relacin de trabajos.Work-ratio47.33%



T1 (K)300

T2(K)579.3

T3(K)1100

T4(K)569.7

CONFIGURACIN 2










c) La relacin de trabajos.Work-ratio62.62%



T1 (K)300

T2(K)523.2

T3(K)1400

T4(K)802.9

APARTADO 2

Comparar las distintas configuraciones con el diseo de partida y sealar qu influencia tiene la relacin de compresin y la temperatura de la turbina sobre a, b, c, d y e del apartado anterior. Justificar con fundamentos tericos la respuesta.a) En relacin al rendimiento observamos que este disminuye cuando disminuye la relacin de compresin del compresor. Si observamos la frmula vemos que esto se debe a que cuando disminuye la relacin de compresin hay una descompensacin en la temperaturas, mientras que cuando aumentamos la temperatura a la entrada de la turbina esta descompensacin no se produce y el rendimiento se mantiene igual.

b) En los diagrama T-S obtenidos tenemos que el punto 1 correspondiente con el punto inicial es en todos igual ya que las condiciones de partida son las mismas. El punto 2 es igual en la configuracin 0 y 1 porque su incremento de temperaturas es el mismo. Sin embargo, es distinto en la configuracin 2, esto es porque la relacin de compresin es distinta lo que hace que la potencia del compresor sea menor en dicha configuracin. En el punto 3 observamos que la configuracin 0 y 2 tienen la misma temperatura de entrada a la turbina pero no la misma entropa ya que los compresores tienen distinta relacin.Por ltimo, todos los puntos 4 son distintos ya que la potencia de las tres turbinas son distintas porque se ven influidas por las temperaturas y las presiones de entrada.

c) La relacin de trabajos en mayor en la configuracin 2 porque el trabajo obtenido de la turbina en comparacin con el aportado al compresor es mayor en esta configuracin que en las anteriores. Una menor relacin de compresin hace aumentar la relacin de trabajos. Por el contrario, una disminucin de la temperatura a la entrada de la turbina hace disminuir la relacin entre los trabajos.

d) La potencia neta desarrollada es igual a:

Y es claramente superior en la configuracin por la relacin que existe entre sus temperaturas.Si disminuimos la temperatura de entrada a la turbina (T3) disminuye la potencia neta. Al igual que si disminuimos la relacin de compresin aunque en este caso la disminucin es menor debido a que la diferencia entre las temperaturas es menor.El gasto msico necesario para obtener un potencia neta de 3000 Kw est en funcin de la relacin de temperaturas. Por lo tanto, es menor cuanto mayor es la potencia neta desarrollada.

APARTADO 3

Conclusiones obtenidas tras la realizacin de la prctica. Respuesta breve y concisa.Observando los datos obtenidos concluimos que cuanto mayor sea la temperatura de entrada a la turbina y cuanto mayor sea la relacin de compresin en el compresor mayor ser la potencia neta desarrollada y mayor ser tambin el rendimiento obtenido. 16

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