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Termodinámica Aplicada
Ingeniería Química
TEMA 10. CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS DE POTENCIA
TermodinTermodináámica Aplicadamica Aplicada 06/0706/07 Tema 10. Ciclos de potencia de gas y otros ciclos de potenciaTema 10. Ciclos de potencia de gas y otros ciclos de potencia
PROCESOS INDUSTRIALES
CALOR TRABAJO Y POTENCIA
PSICROMETRÍAREFRIGERACIÓN
GENERALIDADESCICLOS DE POTENCIA DE VAPOR
CICLOS POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS
ANÁLISIS PROCESOS
BLOQUE II. Análisis termodinámico de procesos industriales
TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS
OBJETIVOS• Comprender el funcionamiento básico de
las máquinas de combustión interna: motores alternativos (ciclo de Otto y Diesel) y turbinas de gas (ciclo de Brayton)
• Cuantificar el rendimiento térmico de los ciclos de potencia
• Representar gráficamente en los diagramas termodinámicos T-S y P-V los ciclos de potencia
• Conocer las desviaciones que presentan los ciclos reales frente a los idealizados
• Comprender la importancia y el funcionamiento básico de otros ciclos de potencia: los ciclos binarios, los ciclos combinados y las plantas de cogeneración
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TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS
• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna
• CICLOS DE POTENCIA DE GAS
• Ciclo de aire estándar
• Ciclo de Otto
• Ciclo de Diesel
• Ciclos de Brayton
• Turbinas de gas
• Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton
• OTROS CICLOS DE POTENCIA
• Ciclos binarios
• Ciclos combinados
• Cogeneración
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TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS
•• INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓNN: : MMááquinasquinas de de CombustiCombustióónn internainterna
• CICLOS DE POTENCIA DE GAS
• Ciclo de aire estándar
• Ciclo de Otto
• Ciclo de Diesel
• Ciclos de Brayton
• Turbinas de gas
• Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton
• OTROS CICLOS DE POTENCIA
• Ciclos binarios
• Ciclos combinados
• Cogeneración
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Introducción
• MÁQUINAS TÉRMICAS
• Máquinas de combustión interna: utilizan los productos de
combustión en la expansión
Son dispositivos que producen trabajo mecánico y que no operan
en un ciclo termodinámico (ciclo abierto): ciclo mecánico
El combustible (líquido) se dispersa finamente con los inyectores en
la cámara de combustión y se quema. Se produce un aumento de
volumen al producirse gases y P y T aumentan bruscamente.
Esa E presión se emplea:
1- Directamente en la expansión: MOTORES ALTERNATIVOS: Ciclo de
Otto (encendido chispa) y ciclo de Diesel (encendido compresión)
2- Transformando en Ecin para mover una turbina: Ciclo de Brayton
(1870) es el ciclo ideal para los motores de turbina de gas
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Máquinas de combustión interna
• MOTORES DE ENCENDIDO DE CHISPA
(motores de gasolina, CICLO DE OTTO):
La mezcla aire-combustible se comprime
hasta una T inferior a la T de
autoencendido del combustible y el
proceso de combustión comienza al
encender una bujía
• MOTORES DE ENCENDIDO POR
COMPRESIÓN (motores diesel, CICLO
DIESEL): El aire se comprime hasta una T
superior a la de autoencendido del
combustible, y la combustión se inicia al
contacto, cuando el combustible se inyecta
dentro de ese aire caliente
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TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS
• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna
•• CICLOS DE POTENCIA DE GASCICLOS DE POTENCIA DE GAS
•• CicloCiclo de de aireaire estestáándarndar
• Ciclo de Otto
• Ciclo de Diesel
• Ciclos de Brayton
• Turbinas de gas
• Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton
• OTROS CICLOS DE POTENCIA
• Ciclos binarios
• Ciclos combinados
• Cogeneración
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Ciclo de aire estándar
• Los ciclos de potencia de gases reales son bastante complejos
• Las suposiciones de AIRE ESTÁNDAR permiten simplificar considerablemente
el análisis de las MÁQUINAS DE COMBUSTIÓN INTERNA sin apartarse
significativamente de los ciclos reales
• Permite estudiar de forma cualitativa la influencia de los parámetros
principales de las máquinas reales
• SUPOSICIONES DE AIRE ESTANDAR
1: El fluido de trabajo es aire que circula de modo continuo en un circuito
cerrado y se comporta como un gas ideal
2: Todos los procesos que integran el ciclo son reversibles
3: El proceso de combustión es sustituido por un proceso de adición de calor
desde una fuente externa
4: El proceso de escape es sustituido por un proceso de rechazo de calor que
devuelve al fluido a su estado inicial
Para simplificar más el análisis, se supone que el aire tiene calor específico
constante e igual al de Tambiente (25ºC)
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TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS
• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna
•• CICLOS DE POTENCIA DE GASCICLOS DE POTENCIA DE GAS
• Ciclo de aire estándar
•• CicloCiclo de Ottode Otto
• Ciclo de Diesel
• Ciclos de Brayton
• Turbinas de gas
• Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton
• OTROS CICLOS DE POTENCIA
• Ciclos binarios
• Ciclos combinados
• Cogeneración
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• Es el ciclo ideal para las máquinas reciprocantes (dispositivos
cilindro-émbolo) de ENCENDIDO DE CHISPA (la combustión
de la mezcla aire-combustible se inicia con una chispa en la
bujía)
• Máquinas de combustión interna de 4 tiempos
0-1: Admisión de la mezcla a P = cte
1-2: Compresión isoentrópica
2-3: Ignición y combustión (adición de calor a v = cte)
3-4: Expansión isoentrópica
4-1: Rechazo de calor a v = cte (escape de gases)
EFICACIA DEL CICLO DE OTTO (suposición aire estádar)
Ciclo de Otto
23
14
23
1423
23
4123
23
41
23
1)(
)()(1TTTT
TTCTTCTTC
qqq
qw
v
Vvneto
−−
−=−
−−−=
−=−==η
2
1
VVr =
1
11 −−= γηrOtto
γ = 1.4
v
p
CC
=γ
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Ciclo de Otto
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TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS
• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna
•• CICLOS DE POTENCIA DE GASCICLOS DE POTENCIA DE GAS
• Ciclo de aire estándar
• Ciclo de Otto
•• CicloCiclo de Dieselde Diesel
• Ciclos de Brayton
• Turbinas de gas
• Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton
• OTROS CICLOS DE POTENCIA
• Ciclos binarios
• Ciclos combinados
• Cogeneración
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Ciclo de Diesel
• Ciclo ideal para las máquinas reciprocantes de encendido
por compresión
• Son los motores más extendidos para usos industriales
(unidades de generación de electricidad de emergencia;
grandes barcos, pesados camiones...)
• Menos vivos que los motores de encendido de chispa; más
caros y más duraderos
• r es mucho más elevada (12-24)
• CICLO DIESEL: (similar al de Otto)
1-2: Compresión isoentrópica
2-3: Adición de calor a P = cte
3-4: Expansión isoentrópica
4-1: Rechazo de calor a V = cte
Diferencia con el motor de encendido de chispa: Período de
admisión a P = cte: la inyección del combustible se realiza
a P elevada
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• EFICACIA DEL CICLO DE DIESEL (suposición aire estándar)
Cuando:
rOtto = rDiesel ⇒ ηOtto> ηDiesel () >1
rc,Diesel = 1 ⇒ ηOtto= ηDiesel
rDiesel elevadas ⇒ ηOtto< ηDiesel
Las eficacias de las máquinas térmicas de encendido de chispa
suelen ser 25-40%
Las eficacias de las máquinas térmicas de motores diesel
suelen ser 35-40%
El proceso de combustión real tanto para motores de gasolina
como diesel, es una combinación de dos procesos de adición
de calor, uno a P = cte y otro a V = cte: CICLO DUAL os ciclos
Ciclo de Diesel
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−−
−= − )1(111 1
c
cDiesel rk
rr
γ
γη
γ = 1.4
2
1
VVr =
2
3
VVrc =
rc, Relación de corte:volúmenes de cilindro después y antes del proceso de combustión
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TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS
• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna
•• CICLOS DE POTENCIA DE GASCICLOS DE POTENCIA DE GAS
• Ciclo de aire estándar
• Ciclo de Otto
• Ciclo de Diesel
•• CiclosCiclos de Braytonde Brayton
• TurbinasTurbinas de gasde gas
• Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton
• OTROS CICLOS DE POTENCIA
• Ciclos binarios
• Ciclos combinados
• Cogeneración
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Turbinas de gas – ciclo de Brayton
• Las turbinas de gas tienden a ser más compactas y ligeras que
las centrales térmicas de vapor
• Las turbinas de gas se utilizan para la generación de
electricidad en equipos fijos y para aplicaciones de transporte
(propulsión aérea, transporte marítimo...)
• Las máquinas térmicas de vapor sirven mejor a las
necesidades continuas de la industria
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Ciclos de Brayton (o Joule)
• Se utiliza en plantas de potencia con turbinas de gas: turbinas de gas
natural (ó fueloleo, carbón gasificado, …)
• Usualmente de <<ciclo>> abierto. Ciclo cerrado para recuperación de calor a
trabajo
• Aire fresco en condiciones ambientales se introduce dentro de un compresor
donde su T y P se eleva. El aire de alta presión se inyecta en la cámara de
combustión donde el combustible se quema a P = cte. Los gases de alta T
entran a la turbina donde se expanden hasta la Patm y producen potencia.
Los gases de salida de la turbina se expulsan al exterior (ciclo abierto, sin
recirculación)
• Este ciclo se puede modelar como CICLO CERRADO
(suposición aire estándar)
1-2: Compresión isoentrópica en el compresor
2-3: Adición de calor a presión constante (combustión)
3-4: Expansión isoentrópica (en una turbina)
4-1: Rechazo de calor a P = cte (escape de gases)
COMP TURB
combustible
aire
w
humos
ciclo cerrado
Cámaracombust.
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Ciclos de Brayton (o Joule)
Este ciclo se puede modelar como CICLO CERRADO (suposición aire estándar)
1-2: Compresión isoentrópica en el compresor2-3: Adición de calor a P = cte (proceso de combustión)3-4: Expansión isoentrópica (en una turbina)4-1: Rechazo de calor a P = cte (escape de gases al aire ambiente)
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Ciclos de Brayton (o Joule)
• Para el ciclo de Brayton estándar:
• Luego Relaciones de comp. Prácticas: 5-20 (11-16)
( )1
2 1
11NETO
C
wq P P
γγ
η −= = −&
&
( )2 1P P η↑ → ↑
γ = 1.4
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Ciclos de Brayton (o Joule)
• Relación aire/combustible >=50
• Compresor+Turbina → una sola turbomáquina.
• Turbinas: aeroderivadas e industriales.
• Trabajo de retroceso: Relación Wcomp/Wturb 50%COMP TURBINAW W≈& &
APLICACIONES:
• Propulsión de aviones
• Generación de E eléctrica (como unidades
independientes o en conjunto con las plantas
de vapor)
• Ciclo cerrado en las plantas de E nuclear (gas
puede ser helio)
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TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS
• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna
•• CICLOS DE POTENCIA DE GASCICLOS DE POTENCIA DE GAS
• Ciclo de aire estándar
• Ciclo de Otto
• Ciclo de Diesel
•• CiclosCiclos de Braytonde Brayton
• Turbinas de gas
• ProcedimientosProcedimientos de de mejoramejora del del ciclociclo de Braytonde Brayton
• OTROS CICLOS DE POTENCIA
• Ciclos binarios
• Ciclos combinados
• Cogeneración
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Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton
• Las turbinas de gas reales difieren del ciclo de Brayton ideal por
varias razones:
1- Disminución de presión durante los procesos de adición y
rechazo de calor
2- Las irreversibilidades asociadas a la turbina y el
compresor (la entrada de trabajo real al compresor será mayor;
y las salida de trabajo real de la turbina será menor) ⇒
EFICACIAS ISOENTRÓPICAS
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Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton
CICLO DE BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO,
RECALENTAMIENTO Y REGENERACIÓN
• En un turbina de gas wneto = wturbina-wcompresor
• Puede incrementarse cuando wturbina o wcompresor
• wcompresor : COMPRESIÓN EN ETAPAS MÚLTIPLES CON
INTERENFRIAMIENTO (aproximamos al isotérmico)
• wturbina : EXPANSIÓN EN ETAPAS MÚLTIPLES CON
RECALENTAMIENTO (aproximamos al isotérmico)
• Se trabaja con aire en exceso (2.5-4 veces estequiométrico) para:
• Calor residual (∼500ºC) para cogeneración (calderas de
recuperación) o regeneración (precalentador del aire antes
de entrar a la caldera)
• Mejor combustión
• Mejor control de temperaturas
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Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton
CICLO DE BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO,
RECALENTAMIENTO Y REGENERACIÓN
1-2: Compresión isoentrópica hasta P intermedia P22-3: Enfriamiento a P = cte hasta T3 (=T1)3-4: Compresión isoentrópica hasta P44-5: Calentamiento en el regenerador a P = cte hasta T55-6: Combustión a P = cte6-7: Expansión isoentrópica hasta P77-8: Recalentamiento a P = cte hasta T8 (=T6)8-9: Expansión isoentrópica hasta P99-10: Recalentamiento a P = cte hasta T10 10-1: Enfriamiento del gas hasta el estado inicial T1 (o purga gases de escape)
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TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS
• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna
• CICLOS DE POTENCIA DE GAS
• Ciclo de aire estándar
• Ciclo de Otto
• Ciclo de Diesel
• Ciclos de Brayton
• Turbinas de gas
• Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton
• OTROS CICLOS DE POTENCIAOTROS CICLOS DE POTENCIA
•• CiclosCiclos binariosbinarios
• Ciclos combinados
• Cogeneración
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Ciclos binarios
• CICLO BINARIO DE VAPOR: Combinación de dos ciclos, uno en la región
de alta T y otro en la región de baja T: empleando dos fluidos se aumenta el
área encerrada por el ciclo, y la eficacia
• Aprovechamiento a lo largo de mayor intervalo de T: El condensador del
ciclo de alta T (ciclo superior) sirve como la caldera del ciclo de baja T (ciclo
inferior): “la salida de calor del ciclo superior se utiliza como entrada de calor
del ciclo inferior”
• FLUIDOS ADECUADOS CICLO SUPERIOR: Hg, Na, k, mezclas Na-k
• Ej: Hg tiene una Tc = 898ºC (por encima del límite metalúrgico 620ºC) y su
Pc es de sólo 18 MPa
• Agua/Hg , Na/K
• Pocas instalaciones reales (No económicas: no alto coste inicial y
competencia plantas de potencia combinadas)
• Eficacias térmicas de 50%
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Ciclos binarios
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TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS
• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna
• CICLOS DE POTENCIA DE GAS
• Ciclo de aire estándar
• Ciclo de Otto
• Ciclo de Diesel
• Ciclos de Brayton
• Turbinas de gas
• Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton
• OTROS CICLOS DE POTENCIAOTROS CICLOS DE POTENCIA
• Ciclos binarios
•• CiclosCiclos combinadoscombinados
• Cogeneración
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Ciclos combinados
• Ciclo de vapor (Rankine) + Ciclo de turbina de gas (Brayton)
• Turbinas de gas operan a T más altas que los ciclos de vapor
(Vapor: Tmax entrada turbina = 620ºC: Gas: >1150ºC)
• Aprovecha los gases de escape de alta T (ciclo de gas) como
fuente de energía en ciclo inferior (ciclo de vapor)
• Cogeneración, ciclo de colas
• Caldera de recuperación
• Mayor intervalo de T:
• Desde 1150 C en gas
• Hasta condensación del vapor
• Eficacia combinada (plantas modernas hasta 60%)
• Instalaciones atractivas desde el punto de vista económico (no
gran incremento del coste inicial)
• Nuevas centrales
• Muchas instalaciones
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Ciclos combinados
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TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS
• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna
• CICLOS DE POTENCIA DE GAS
• Ciclo de aire estándar
• Ciclo de Otto
• Ciclo de Diesel
• Ciclos de Brayton
• Turbinas de gas
• Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton
• OTROS CICLOS DE POTENCIAOTROS CICLOS DE POTENCIA
• Ciclos binarios
• Ciclos combinados
•• CogeneraciCogeneracióónn
TermodinTermodináámica Aplicadamica Aplicada 06/0706/07 Tema 10. Ciclos de potencia de gas y otros ciclos de potenciaTema 10. Ciclos de potencia de gas y otros ciclos de potencia
Cogeneración
• “Producción de más de una forma útil de energía a partir
(como calor de proceso y energía eléctrica) a partir de la
misma fuente de energía”
• Surgen de la necesidad de servicios de calentamiento en zonas
urbanas (espacios, agua caliente…)
• Tanto una turbina de vapor (ciclo de Rankine) como una turbina
de gas (ciclo de Brayton) o un ciclo combinado son útiles como
ciclos de potencia en una planta de cogeneración
• ESQUEMA DE PLANTA DE COGENERACIÓN CON TURBINA DE
VAPOR
• “Toda la energía transferida al vapor en la caldera se emplea
como calor de proceso o como energía éléctrica según las
necesidades”
• FACTOR DE UTILIZACIÓNen
pneto
total
procesonetoU q
qwqEntrada
qSalidawSalida&
&& +=
+=ε
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Cogeneración
• Planta de cogeneración práctica: ajusta a las necesidades del
proceso
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Problema
Para la turbina de gas con regeneración mostrada en la figura adjunta, calcular:
Aire1 atm, 20ºC
CÁMARA COMBUSTIÓN
500 kPa
800ºC
REGENERADOR4 kg/s150ºC
COMP TURB ηs = 0.86ηs = 0.83
a) Temperatura del aire a la salida del compresorb) Temperatura de los gases de combustión a la salida de la turbinac) Potencia neta desarrollada por la turbina de gas y la relación de acoplamiento
(WCG/WTG)d) Rendimiento térmico de la turbina de gase) Si la eficacia del regenerador fuese del 90%, determinar el nuevo rendimiento
térmico del ciclo
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Problema
CICLO DE TURBINA DE GASCON REGENERACIÓN
maire = 4 kg/sCpaire = 1 kJ/kgºC Capacidad calorífica media del aire (GAS IDEAL)
ESTADO 1P1 = 101,325 kPaT1 = 20 ºC
ESTADO 2P2 = 500 kPa
ESTADO 4T4 = 800 ºCP4 = 500 kPa
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−=⇒
−−
==
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
−
−
γγ
γγ
ηη
1
4
5,45
54
54,
1
4
545
11PP
TTTTTT
ww
PP
TT
TURBsss
realTURBs
s
CÁMARA COMBUSTIÓN
Aire1 atm, 20ºC
500 kPa
800ºC
REGENERADOR4 kg/s150ºC
COMP TURB ηs = 0.86ηs = 0.83
1
23 4
5
6
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Problema
ηCOMP = 0,83ηTURB = 0,86
ESTADO 5P5 = 101,325 kPa
ESTADO 6T6 = 150 ºCP6 = 101,325 kPa
Calculo de la T de salida de los gases de la turbina de gas (T5)T5 = 735,2 K
Calculo de la T de salida de los gases deL COMPRESOR (T2)T2 = 497,2 K
ESTADO 3
Balance de energía al cambiador
T3 = 809,2 KP3 = 500 kPa
Calculo del trabajo de la turbina de gas
WTG = 1352,0 kW
⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
+
−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
=⇒−−
==
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
−
−
11
,
1
1
2
1212
12,
1
1
212
COMPs
s
real
sCOMPs
s
PP
TTTTTT
ww
PP
TT
ηη
γγ
γγ
)( 54 TTCpmW aaTG −= &
2653
6523 )()(TTTT
TTCpmTTCpm aaaa
+−=−=− &&
19
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Problema
Calculo del trabajo del compresor de gas
WCG = 816,4 kW
Potencia neta desarrollada por la turbina de gas (WTG-WCG)
W NETA TG = 535,6 kW
Flujo de calor suministrado a la cámara de combustión (kW)
Q SUM = 1055,6 kW η = 50,7 %
Relación de acoplamiento WCG/WTG = 0,604
Si la eficacia del regenerador fuese del 90%:
T3 = 778,0 KQ SUM = 1180,4η = 45,4 %
)( 12 TTCpmW aaCG −= &
CGTGTGNETO WWW −=,
)( 34 TTCpmQ aaSUM −= &
2653 )·( TTTT +−= ε
TermodinTermodináámica Aplicadamica Aplicada 06/0706/07 Tema 10. Ciclos de potencia de gas y otros ciclos de potenciaTema 10. Ciclos de potencia de gas y otros ciclos de potencia
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. conocer el funcionamiento básico de las máquinas de combustión interna, su clasificación (motores alternativos y motores de turbina de gas) y las diferencias existentes entre ellas
2. comprender los fundamentos de los motores alternativos de encendido de chispa (ciclo de Otto) y de encendido por compresión (ciclo de Diésel) bajo las suposiciones de aire estándar
3. comprender los fundamentos de las turbinas de gas basadas en el ciclo de Brayton y los procedimientos de mejora del rendimiento del mismo (interenfriamiento, recalentamiento y regeneración)
4. cuantificar el rendimiento térmico de los ciclos descritos por el gas en los motores alternativos y las turbinas de gas
5. representar los ciclos descritos por el gas en los motores alternativos y las turbinas de gas en los diagramas termodinámicos T-S y P-V y calcular propiedades a partir de estos diagramas
6. conocer el funcionamiento y la importancia de otros ciclos de potencia: los ciclos binarios de vapor, los ciclos combinados y las plantas de cogeneración
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Termodinámica Aplicada
Ingeniería Química
TEMA 10. CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS DE POTENCIA
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