ESQUEMAS

COGENERACION

PLANTAS > 1 MW

Cogen. en ciclo combinado Siemens, Polonia 138 MWe + 90 MWt 2 TG SGT-800 + 1 TV SST-400 3 alternadores 11 kV

Planta modular de Wartsila

Pequeña escala < 1 MW y microcogeneración < 50 kW

A. Motor de combustión interna

A. Motor de combustión interna alternativo (MCIA)

A. MCIA balance

A. MCIA: fuentes de calor aprovechables

A. MCIA: fuentes de calor aprovechables

A. MCIA: fuentes de calor aprovechables

Bloque/cilindros Escape

Intercooler aire Circuito aceite

A. MCIA: perdidas de calor

Pérdidas de calor

A. MCIA: aprovechamiento a un nivel de temperatura

A. MCIA: aprovechamiento a 2 y 3 niveles de temperatura

A. MCIA: ejemplos de características tipo de diferentes marcas

A. MCIA: hoja de características de diferentes modelos de Wartsila

A. MCIA: aplicaciones de la recuperación de calor

A. MCIA: tipos

Según el ciclo termodinámico:

• Otto: aspiran mezcla de aire/combustible, menores ratios

de compresión, encendido por fuente externa

(normalmente por bujía). Potencias de hasta 8 MW

• Diesel: aspiran aire, el combustible se inyecta al final de la compresión e inflama, mayores

ratios de compresión, mejor rendimiento. Potencias típicas de hasta 50 MW

Según combustible: gasóleo, gasolina, GN, GLP, fuel,.. En cogeneración es muy usado el

de GN

Según tiempos:

• 4 tiempos: aspiración, compresión, expansión y expulsión de gases. 1 ciclo completo son

4 carreras y 2 vueltas de cigüeñal.

• 2 tiempos: expulsión y aspiración parcialmente al final de la carrera de expansión y al

principio de la de compresión. 1 ciclo completo, cada 2 carreras, cada vuelta de cigüeñal.

- Los grandes motores Diesel suelen ser de 2 tiempos.

Sobrealimentación: el aire que se inyecta al cilindro se inyecta a presión, aumentando su

densidad y por tanto la cantidad de combustible que se puede quemar, y en consecuencia

aumenta la potencia del motor. Los motores industriales son sobrealimentados, con

turbocompresor (los gases de escape mueven una turbina que acciona el compresor de aire).

Dentro de los motores de gas existen varias modalidades:

•Encendido por chispa (SG): aspiran mezcla aire/gas. En la parte superior del cilindro existe

una pequeña precámara en la parte superior con mezcla más rica que en el cilindro. Al final

de la carrera de compresión se inflama la precámara con una chispa, y sus llamas inflaman

la mezcla del cilindro. Combustión rápida. Ciclo Otto.

•Dual fuel: en situación normal aspiran mezcla aire/gas. La ignición se produce como en un

motor diesel por inyección de una pequeña cantidad de gasoil o fueloil a través de una

válvula piloto en la parte superior, al final de la carrera de compresión. En caso de

necesidad pueden funcionar sólo con gasoil o fueloil. Siguen un ciclo Diesel.

•Gas a alta presión (GD): durante la admisión sólo aspiran aire. Al final de la carrera de

compresión se inyecta gas a alta presión en el cilindro y una pequeña cantidad de gasoil o

fueloil a la válvula piloto para provocar la ignición. También pueden funcionar sólo con fuel,

o a diferentes proporciones de gas y fuel. Siguen un ciclo Diesel.

A. MCIA: tipos de motores de gas

A. MCIA: tipos de motores de gas

A. Motor de combustión interna

Diesel para altas potencias y Otto para bajas o moderadas

Gasóleo, gasolina, GN, GLP

P desde 15 kWe hasta 25 MWe (aunque existen MCIA de hasta 100

MWe)

R=Q/E=1,2÷1,8

Buena eficiencia parcial

Circuitos de refrigeración para producción de agua caliente, para

calefacción y ACS (60-90ºC)

También pueden producir vapor, dado que los gases y cilindros

pueden alcanzar los 500 ºC

B.1 Turbina de gas

B. Turbina de gas

B. Turbina de gas

B. Turbina de gas

B. Turbina de gas

C T

CC

ma

mf

Wm

C T

CC

mamf

Wm

meIntercambiador

de calor

B. Turbina de gas

Típicamente GN (aunque admiten otros gases y diesel)

P desde 500 kWe hasta 250 MWe

Tescape=350÷600 ºC

R=Q/E=2,2÷3,5

Mala eficiencia parcial

Condiciones ISO (1 bar, 25ºC)=P, HR(kJ/kWh),dosado, maire,

Tgases escape, relación compresión

Secado de sustancias húmedas, calentamiento y secado de

materiales cerámicos, hornos, CRCs, agua caliente.

B.2a Turbina de gas con secador con postcombustión

B.2b Turbina de gas con CRC con postcombustión

C. Turbina de vapor (alimentada desde generador de vapor)

El generador de vapor puede ser:

• Una caldera de combustión

convencional

• Una caldera de recuperación de

calor, que aproveche el calor de

una corriente que contenga calor

(normalmente gases de escape de

un proceso anterior)

C.1 Turbina de vapor de contrapresión

C.2 Turbina de vapor de condensación

C. Turbina de vapor

En los procesos industriales se suele necesitar vapor saturado o

sobrecalentado

En una central el vapor de salida es húmedo y a vacío

Para cogeneraciones:

• Contrapresión: psalida > patmosférica

• Condensación: se toma el vapor de extracciones

Potencias de 10 a 300 MW

R=Q/E=0,3÷10

Aceptable eficiencia parcial

Aplicación casi exclusivamente industrial: vapor de procesos

D. Ciclos combinados

Únicamente para grandes potencias > 10 MW

Versatilidad por:

Independencia entre turbinas

Modulación de postcombustión

D. Cogeneración en ciclo combinado

C T

Cámara de

combustión

Aire de

entrada

Gases de

salida

Combustible

Temperaturas del orden de 900 K

Los gases de escape se pueden aprovechar en:

- Producir vapor para uso industrial (Cogeneración)

- Producir gases calientes para procesos (p.ej. Secaderos)

- Producir vapor para su uso en una turbina de vapor (Ciclo Combinado)

- …

ESTO DA LUGAR A UNA MEJORA EN EL RENDIMIENTO

GLOBAL DEL PROCESO

CICLOS COMBINADOS

TURBINA DE GAS

Combustión suplementaria

QGT

PGT

PST

QSF

QGT (1- GT)

TURBINA DE VAPOR

El trabajo útil depende del realizado en la turbina de gas y

en la de vapor

Calor aportado:

- Gases de escape de la turbina de gas

- Calor adicional en la caldera de recuperación de calor

SFGT

STGTcc

QQ

PP

CICLOS COMBINADOS

TGTVCRCTGCC 1

El rendimiento de un ciclo

combinado depende:

- Rendimiento de la turbina de gas

- Rendimiento de la turbina de vapor

- Rendimiento de la caldera de

recuperación

Turbina de gas

Ciclo combinado

t1 .- Temperatura de entrada a la turbina

t2 .- Temperatura de salida de la turbina

CICLOS COMBINADOS

Los puntos de máximo rendimiento de la turbina de gas y del ciclo no coinciden.

En el rendimiento del ciclo se observa como una mejora en el rendimiento de la turbina

de gas, implica que (1 - ηTG ) disminuye y por tanto, puede disminuir el rendimiento

global.

Para mejorar ambos ciclos hay que disminuir las pérdidas exergéticas del mismo, esto

puede conseguirse mejorando la transmisión de calor entre los gases de escape de la

turbina de gas y la caldera de recuperación de calor.

Otro aspecto a cuidar es el trabajo a cargas parciales. Las turbinas de gas funcionan mal a

cargas parciales por lo que:

- Se disponen en asociaciones de varias TG y Calderas y un solo ciclo de vapor

- Turbinas de gas con geometría variable

CICLOS COMBINADOS

Refrigeración: analogía frigorífico

Ciclo por compresión de vapor CICLO DEL REFRIGERANTE

1-2 Compresión (adiabática)

↑ T, ↑ P

2-3 Condensación (isóbara)

Cesión de calor

3-4 Laminación (isentálpica)

↓T, ↓P,

4-1 Evaporación (isóbara)

Absorción de calor

Gracias al trabajo W del compresor se consigue “bombear” el calor Q2 del exterior al

interior, en el sentido inverso del flujo natural de calor (T1>T2). El calor entrante en el

local es Q1=W+Q2 . Se está refrigerando el terreno

W

QCOP 1

WQQ 21

M

CONDENSADOR

EVAPORADOR

VALVULA DE

EXPANSIONCOMPRESOR

ACCIONAMIENTO

DEL COMPRESOR

Al sistema de distribución

de calor del local

Al sistema de colectores

del subsuelo

1

23

4

Q1

W

Q2

INVIERNO

Coeficiente de

operación

2. Funciones de cada componente - Compresor (1-2) Recibe el refrigerante vapor y lo

comprime, subiendo P y T. Se puede decir que lo

acondiciona para una cesión de calor a una T apropiada en

el condensador.

- Condensador (2-3) El vapor de refrigerante entra

sobrecalentado, de modo que la primera parte del calor

cedido es sensible perdiendo T, para luego ceder su calor

latente al condensarse a T cte. La temperatura a la que

suceda esta cesión de calor latente dependerá de la presión

que le dio el compresor.

-Válvula expansión (3-4) Proceso de expansión

adiabática, o estrangulamiento, para devolver al fluido a la

presión inicial del evaporador y cerrar el ciclo. Al perder

P, parte del líquido se vaporiza.

- Evaporador (4-1) Cesión de calor del fluido de los

colectores al refrigerante, que lo recibe como calor latente

vaporizándose a T y P cte.

Transformacio

nes

M

CONDENSADOR

EVAPORADOR

VALVULA DE

EXPANSIONCOMPRESOR

ACCIONAMIENTO

DEL COMPRESOR

Al sistema de distribución

de calor del local

Al sistema de colectores

del subsuelo

1

23

4

Q1

W

Q2

INVIERNO

1

2

3

4

T

s

p=c

h=c

T1

T2

Tf1

Tf2

a

2s

T

1

T

2

MÁQUINA DE ABSORCIÓN

Roba Q,

produce

frío Expulsa Q

H2O/BrLi

NH3/H2O Refrigerante/absorbedor

MÁQUINA DE ABSORCIÓN

Ejemplo de

Trigeneración en sector

industrial